JP6635383B2 - Graphene and graphene-related materials for manipulation of cell membrane potential - Google Patents
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関連出願に対する相互参照
本願は、内容全体が本明細書に組み込まれる2014年6月17日出願の米国仮特許出願第61/998,089号明細書からの優先権を主張する。
CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS This application claims priority from US Provisional Patent Application No. 61 / 998,089, filed June 17, 2014, which is hereby incorporated by reference in its entirety.
細胞の膜電位の変化は、心拍、脳機能、視覚的および嗅覚的伝達および筋肉収縮を含む、多くの基本的な生理学的過程に基づく。細胞は、互いに通信するために、および外部の手がかりに従いそれらの挙動を変化させるために、電気的シグナル伝達を使用していることが多い。 Changes in cellular membrane potential are based on a number of basic physiological processes, including heart rate, brain function, visual and olfactory transmission, and muscle contraction. Cells often use electrical signaling to communicate with each other and to change their behavior according to external cues.
形質膜は、細胞のその構造の完全性を確保し、細胞外周囲から細胞内区画を物理的に分離する。a)細胞内と細胞外区画との間のイオン組成の実質的な相違およびb)細胞膜を含むリン脂質二重層の絶縁性の物理学的特性のために、細胞膜を挟んで電場(E−フィールド)勾配が存在する。静止時、細胞の内側は外側よりも強い負荷電状態であり、その結果、様々なタイプの細胞において膜電位が−10〜−80mVの範囲となる。電気的および/または化学シグナルによって膜電位の変化が惹起され得る。具体的に、これらのシグナルは電位開口型またはリガンド開口型イオンチャネルの開口につながり、その結果、膜透過性が変化し、形質膜の細胞内側および細胞外側においてイオンの再分布が起こり、最後に膜電位が変化する。 The plasma membrane ensures the integrity of the cell's structure and physically separates the intracellular compartment from the extracellular surroundings. Due to the substantial differences in ionic composition between the intracellular and extracellular compartments and b) the physical properties of the insulating properties of the phospholipid bilayer containing the cell membrane, an electric field (E-field) ) A gradient exists. At rest, the inside of the cell is more negatively charged than the outside, resulting in a membrane potential in the range of -10 to -80 mV for various types of cells. Changes in membrane potential can be caused by electrical and / or chemical signals. Specifically, these signals lead to the opening of voltage-gated or ligand-gated ion channels, resulting in altered membrane permeability, redistribution of ions inside and outside the plasma membrane, and finally The membrane potential changes.
膜電位を調節することは、細胞の活性化状態を調節することである。膜電位の変化は、細胞の興奮性、電位依存性ホスファターゼによるタンパク質の翻訳後修飾、ホルモン分泌、イオンホメオスタシス、タンパク質発現の制御および細胞増殖のような基本的機能に密接につながるため、様々な下流の効果につながり得る。興奮性の細胞(例えばニューロンまたは心筋細胞(CM))において特別な状況が存在し、ここで、膜電位の比較的小さい変化が増幅され、その結果、協調的な複数のイオンチャネル型の連鎖的な活性化が起こり、活動電位の生成へと至り得る。非興奮性細胞においてさえも、膜電位の変化の結果、電気化学的イオン勾配およびイオン濃度の変化が起こり、これは、多くの外見的に電位依存性の過程を惹起し得る。 To regulate the membrane potential is to regulate the activation state of the cell. Changes in membrane potential are linked to fundamental functions such as cellular excitability, post-translational modification of proteins by voltage-dependent phosphatases, hormone secretion, ion homeostasis, regulation of protein expression and cell growth, and therefore have various downstream Can lead to the effect of A special situation exists in excitable cells (eg, neurons or cardiomyocytes (CM)) where relatively small changes in membrane potential are amplified, resulting in a coordinated multiple ion channel-type cascade. Activation can lead to the generation of action potentials. Even in non-excitable cells, changes in membrane potential result in changes in electrochemical ion gradients and ion concentrations, which can trigger many apparently voltage-dependent processes.
細胞膜電位を操作するための高度な方法を必要とする多くのインビトロ応用としては、健康および疾患における分子機序の基礎研究;電位感受性膜タンパク質の機能的探索;シナプス可塑性を含む細胞間の情報交換の研究;心臓病関連プロジェクト;視覚および嗅覚伝達経路;細胞補充療法のための幹細胞由来細胞の作製および特性評価;幹細胞由来細胞の活性化依存性成熟および分化;およびそれらの潜在的心毒性を評価するための、および個別化医療の開発を支援するための、候補薬物のハイスループットスクリーニングが挙げられる。 Many in vitro applications that require sophisticated methods for manipulating cell membrane potential include basic research on molecular mechanisms in health and disease; functional search for voltage-sensitive membrane proteins; information exchange between cells including synaptic plasticity Studies; heart disease-related projects; visual and olfactory transmission pathways; generation and characterization of stem cell-derived cells for cell replacement therapy; activation-dependent maturation and differentiation of stem cell-derived cells; and their potential cardiotoxicity High-throughput screening of candidate drugs to perform and support the development of personalized medicine.
細胞膜電位を操作するための新規方法は、疾患進行中に損なわれる内因性活性化トリガーを強化することが必要とされる状況下でのインビボ応用でも非常に有用になるであろう。例えば、CMの膜電位全体の調節は、不完全な電気的シグナル伝達を克服するのに役立ち得、したがって異常な心拍リズムを調節し得る。網膜色素変性症または加齢性黄斑変性症中の光受容体の変性は、網膜において次の列にある無傷細胞の光駆動性電気的刺激を介して相殺され得、視覚の回復につながる可能性がある。ニューロンの刺激は、脳血管、神経変性および精神疾患がある患者における神経活性の欠陥を相殺するのに役立ち得る。 The novel methods for manipulating cell membrane potential will also be very useful for in vivo applications in situations where it is necessary to enhance endogenous activation triggers that are impaired during disease progression. For example, modulation of the overall membrane potential of the CM can help overcome incomplete electrical signaling and thus regulate abnormal heart rhythms. Photoreceptor degeneration during retinitis pigmentosa or age-related macular degeneration can be offset via light-driven electrical stimulation of the next row of intact cells in the retina, potentially leading to visual recovery There is. Stimulation of neurons can help offset neuronal deficits in patients with cerebrovascular, neurodegenerative and psychiatric disorders.
電気生理学は、細胞膜電位を調節するための最も直接的で正確な方法である。一般に、電極に基づく技術による電気生理学的刺激(例えば、パッチピペット、多電極アレイまたはE−フィールド刺激)は、細胞膜電位に対して高度な調節を示す。しかし、これらの技術は、空間的選択性の制限、侵襲性、低スループット、自動化への対応が容易ではないことおよび最新の多重電極物質の全般的な機械的剛性など、重大な欠点がある。さらに、電極に基づく技術は、静止電極が正常な生理的動態を示す細胞で引き起こす損傷のために、CMを収縮させる研究に対してさらに適切ではない。 Electrophysiology is the most direct and accurate way to regulate cell membrane potential. In general, electrophysiological stimulation by electrode-based techniques (eg, patch pipettes, multi-electrode arrays or E-field stimulation) exhibits a high degree of regulation on cell membrane potential. However, these techniques have significant disadvantages, such as limited spatial selectivity, invasiveness, low throughput, lack of automation, and the overall mechanical stiffness of modern multi-electrode materials. In addition, electrode-based techniques are less suitable for studies in which CMs contract because of the damage that stationary electrodes cause in cells exhibiting normal physiology.
膜電位の変化を誘発するための化学的方法は、「高K+」細胞外溶液または薬理学的イオンチャネル開口剤の適用のようなアプローチを利用する。この方法の重大な欠点としては、膜電位の調節ができないこと、誘発される変化の不可逆性および時間的および空間的分解能が低いことが挙げられる。 Chemical methods for inducing changes in membrane potential utilize approaches such as the application of “high K + ” extracellular solutions or pharmacological ion channel openers. Significant disadvantages of this method include the inability to modulate the membrane potential, the irreversibility of the induced changes and poor temporal and spatial resolution.
光学的刺激方法は、アクチュエータとして光線を利用し、したがって細胞膜電位に対する長期の非侵襲性調節が可能になり得る。しかし、既存の方法には、深刻な固有の欠点がある。このカテゴリーの最古の方法の1つは、グルタメート、ATP、ドーパミン、セロトニン、環状ヌクレオチドなどの化学的修飾を受けたシグナル伝達分子の光誘発性「放出」である。この方法は、時間的分解能が高いにもかかわらず、放出部位からの「放出される」分子の拡散のためにその空間的分解能は限定的である。さらに、「放出される」化学物質は、前駆体の不安定性、光毒性を示し、強いUV照射を必要とする。さらに「放出する」過程は不可逆的であり、非反復性である。 Optical stimulation methods utilize light beams as actuators and may therefore allow for long-term, non-invasive regulation of cell membrane potential. However, existing methods have serious inherent disadvantages. One of the oldest methods in this category is the light-induced "release" of chemically modified signaling molecules such as glutamate, ATP, dopamine, serotonin, cyclic nucleotides, and the like. Although this method has a high temporal resolution, its spatial resolution is limited due to diffusion of the "released" molecules from the release site. In addition, "released" chemicals exhibit precursor instability, phototoxicity, and require strong UV irradiation. Furthermore, the "release" process is irreversible and non-repetitive.
最新で最も有望な光学的刺激方法であるオプトジェネティクスは、光に対する感受性が固有であるかまたは改変されるかの何れかである、遺伝子によりコードされる膜貫通タンパク質を使用することである。オプトジェネティクスにより、比類のない時空間的正確さで、選択された細胞の部分集団において膜電位を調節することが可能となる。しかし、光介在性の調節をもたらすために、オプトジェネティクスは、細胞内機構の不可欠な部分となる外来性の機能的活性タンパク質の発現を必要とする。換言すると、研究者は、細胞の挙動を調節することを可能とするために細胞の生理を変化させなければならず、これは幹細胞由来細胞を用いた研究において支障を来し得る。オプトジェネティクスのいくつかの技術的な課題は、タンパク質工学の多反復過程およびこの数年間にわたる大規模なツール開発中に既に対処が行われている。しかし、一部の問題は、このアプローチに固有である:1)イオン束および最初の膜電位変化は内因性イオンチャネルではなくむしろ外来タンパク質の特性により決定されるため、オプトジェネティクスは生理学的な刺激を提供しない。2)膜電位の所望の変化を達成するために感光性タンパク質の高発現レベルが必要とされる。3)多くの場合において、オプトジェネティックタンパク質の感光性機能には内因性補助因子全トランス型レチナールまたは光異化性化合物の添加が必要である。4)新規薬物は、関心のある標的の代わりにまたはこれに加えてオプシンに直接的に影響し得るため、オプトジェネティクスは、新規薬物の薬理学的プロファイリングに適切ではない。 Optogenetics, the latest and most promising method of optical stimulation, is to use transmembrane proteins encoded by genes whose sensitivity to light is either intrinsic or altered. Optogenetics allow for the regulation of membrane potential in selected populations of cells with unmatched spatiotemporal accuracy. However, to effect light-mediated regulation, optogenetics requires the expression of exogenous, functionally active proteins that are an integral part of the intracellular machinery. In other words, researchers must alter cell physiology to be able to regulate cell behavior, which can hinder research using stem cell-derived cells. Some of the technical challenges of optogenetics have already been addressed during the multi-iterative process of protein engineering and the development of large-scale tools over the last few years. However, some problems are inherent in this approach: 1) optogenetics is not physiological because ionic flux and initial membrane potential changes are determined by properties of foreign proteins rather than endogenous ion channels. Does not provide irritation. 2) High expression levels of the photosensitive protein are required to achieve the desired change in membrane potential. 3) In many cases, the photosensitive function of optogenetic proteins requires the addition of the endogenous cofactor all-trans retinal or a photocatabolic compound. 4) Optogenetics is not suitable for pharmacological profiling of new drugs because new drugs can directly affect opsin instead of or in addition to the target of interest.
材料科学:無機バルク半導体、半導体ナノ粒子および有機半導体ポリマーから構成される基板を使用して、ニューロンの光誘導性の電気的興奮が明らかになった。例えば、シリコンウエハ上で培養されるニューロンは、光により活性化可能であるが、これは、ウエハを挟んで適用される特異的な電位の存在下でのシリコンの伝導率の光誘導性の変化がニューロンにおいて容量性の過渡応答を惹起し得、その結果、それらの膜の脱分極が起こるからである。残念ながら、1)このプラットフォームは透明ではなく、したがって光学的検出方法との適合性が限定的であり;2)精巧な調節装置中の非常に高価で非常に強固なシリコンウエハによってその応用性が大きく制限され;3)光電流の拡大の直径により定められる空間的分解能は≧50μmである。これらの問題のうちのいくつかは、感光性層が有機半導体ポリマーの混合物から作製された基板において取り上げられた。シリコンに基づく基板と比較して、このプラットフォームは、何ら外部装置を必要とせず、熱放散が低く、柔軟性に富み、製作が非常に容易である。その短所としては、a)透過性が低く、励起が可視範囲であるため、光学的検出との不適合性;およびb)ポリマー層の機械的脆弱性のための小型化問題の可能性が挙げられる。半導体ナノ粒子に基づく別の光学的刺激プラットフォームは、その製作中、工学的柔軟性が最大であったが、ナノ粒子中のカドミウム含有構成成分の存在のために生体適合性に乏しかった。 Materials Science: Using substrates composed of inorganic bulk semiconductors, semiconductor nanoparticles, and organic semiconductor polymers, the light-induced electrical excitation of neurons has been revealed. For example, neurons cultured on silicon wafers can be activated by light, which is a light-induced change in silicon conductivity in the presence of a specific potential applied across the wafer. Can cause a capacitive transient response in neurons, resulting in depolarization of their membranes. Unfortunately, 1) this platform is not transparent, and thus has limited compatibility with optical detection methods; 2) its applicability due to the very expensive and very strong silicon wafers in the elaborate adjustment device. Severely limited; 3) The spatial resolution defined by the photocurrent expansion diameter is ≧ 50 μm. Some of these issues were addressed in substrates where the photosensitive layer was made from a mixture of organic semiconducting polymers. Compared to a silicon-based substrate, this platform does not require any external equipment, has low heat dissipation, is flexible, and is very easy to fabricate. Disadvantages include: a) incompatibility with optical detection due to low transmission and excitation in the visible range; and b) possible miniaturization problems due to mechanical fragility of the polymer layer. . Another optical stimulation platform based on semiconductor nanoparticles had the greatest engineering flexibility during its fabrication, but was poorly biocompatible due to the presence of cadmium-containing components in the nanoparticles.
まとめると、細胞の遠隔刺激のために新規技術的ツールが必要とされている。最適な生理学的刺激ツールは、これらの変化の幅、持続時間および方向を調節するために;侵害性が少なく、非侵襲的検出方法に適合するように、膜電位を迅速に可逆的に、および反復して変化させることが可能であるべきである。 In summary, new technical tools are needed for remote stimulation of cells. The optimal physiological stimulation tool is to adjust the width, duration and direction of these changes; to quickly and reversibly increase the membrane potential, so as to be less invasive and compatible with non-invasive detection methods. It should be possible to change iteratively.
これらの要件を満たすために、適切な特性を有する新規材料を検討することができる。グラフェン系またはグラフェン関連材料(ここで、「グラフェン系」および「グラフェン関連」という用語は交換可能に使用される)のファミリーは、近年、2010年ノーベル物理学賞後に注目されるようになり、続いて、エネルギー、電子工学、センサー、光プロセシング(light processing)、医学および環境分野においてこれらの材料に対する応用の開発が急激に増加した。このファミリーの「当初からの」メンバーであるグラフェンは、六角形のハニカム格子に配置されるsp2−ハイブリッド炭素原子から作製される二次元材料である。グラフェン関連材料の広域ファミリーとしては、グラフェン(単層および多層)、グラファイト、多環式芳香族炭化水素、炭素ナノチューブ、フラーレン、様々な次元の様々なグラフェンナノ構造(例えば、グラフェンナノ粒子またはグラフェン量子ドット:グラフェンナノリボン:グラフェンナノメッシュ;グラフェンナノディスク;グラフェンフォーム;グラフェンナノピラー)、他のグラフェン関連材料、置換グラフェン関連材料(例えばN、B、P、S、Siなどでの炭素原子の置換)および、反応性官能基(例えば、カルボキシル基、エステル、アミド、チオール、ヒドロキシル基、ジオール基、ケトン基、スルホン酸基、カルボニル基、アリール基、エポキシ基、フェノール基、ホスホン酸、アミン基、ポルフィリン、ピリジン、ポリマーおよびそれらの組み合わせ)で官能化されるグラフェン関連材料の任意の組み合わせが挙げられる。グラフェン関連材料の具体例としては、酸化グラフェン(GO)、酸化グラファイトおよび還元型酸化グラフェン(rGO)が挙げられる。
To meet these requirements, new materials with appropriate properties can be considered. A family of graphene-based or graphene-related materials (where the terms "graphene-based" and "graphene-related" are used interchangeably) has recently gained attention after the 2010 Nobel Prize in Physics, The development of applications for these materials in the fields of energy, electronics, sensors, light processing, medicine and the environment has increased exponentially. Graphene is a member "from the beginning" of the family,
グラフェンおよびグラフェン関連材料は、驚異的な電子的、機械的および光学的特性を示し、これにより、グラフェンおよびグラフェン関連材料は、電磁放射線を用いた細胞の遠隔刺激のための生体適合性インターフェースの構築を含む、様々な生物医学的応用において貴重なものとなり得る。グラフェンは非常に不活性であり、化学的に安定であるため、生体適合性に優れている。その独自の特性としては、高い電気伝導性、電荷キャリアの高移動性、非常に優れた機械的特性(例えば、高剛性、強度および弾性)、高い熱伝導性、広帯域吸収および可視スペクトルに対する高い透過性が挙げられる。さらに、グラフェンシートの積層パターンの変化、グラフェン構造の形状変化、グラフェン格子中の炭素原子の置換およびグラフェンの官能化などの多くの経路のうちの1つを遂行することによって、具体的な適用に対してグラフェンの電子的および光学的特性を調整することが可能である。 Graphene and graphene-related materials exhibit phenomenal electronic, mechanical and optical properties, which allow graphene and graphene-related materials to construct biocompatible interfaces for remote stimulation of cells using electromagnetic radiation And can be valuable in a variety of biomedical applications, including: Graphene is very inert and chemically stable, and therefore has excellent biocompatibility. Its unique properties include high electrical conductivity, high charge carrier mobility, very good mechanical properties (eg, high rigidity, strength and elasticity), high thermal conductivity, broadband absorption and high transmission for the visible spectrum Sex. Further, by performing one of many routes, such as changing the stacking pattern of the graphene sheet, changing the shape of the graphene structure, replacing carbon atoms in the graphene lattice, and functionalizing the graphene, it can be used in specific applications. In contrast, it is possible to adjust the electronic and optical properties of graphene.
グラフェンはゼロバンドギャップを有し、これは、約3.5eVを下回るエネルギーでの入射光の広帯域吸収につながっている。これは、高い光吸収係数(7×105cm−1)を有するグラフェンが、可視スペクトル、赤外およびさらにテラヘルツ領域全体を含む300〜2500nmの範囲の光の波長を効率的に検出し得ることを意味する。 Graphene has a zero bandgap, which has led to broadband absorption of incident light at energies below about 3.5 eV. This means that graphene with a high light absorption coefficient (7 × 10 5 cm −1 ) can efficiently detect wavelengths of light in the range of 300 to 2500 nm, including the visible spectrum, infrared and even the entire terahertz range. Means
グラフェンの単層は、可視スペクトルに対しては2.3%の吸収で、紫外線では約10%の吸収ピークを超えて、非常に透明である。グラフェンが光子を吸収する場合、これは、光電性および/または光−熱電性機序を介して光発生励起を生じさせることによって、それらのエネルギーを電流に変換する。グラフェンの光応答性は、単層グラフェンにおいて光吸収が低く、光発生キャリアの(ピコ秒のスケールでの)再結合寿命が短く、内部量子効率が約6〜16%と低くなるため、幾分低い(<10mAW−1)。 The graphene monolayer is very transparent, with an absorption of 2.3% for the visible spectrum and an absorption peak of about 10% for UV. When graphene absorbs photons, it converts their energy to electrical current by causing photo-generated excitation via a photoelectric and / or photo-thermoelectric mechanism. The photoresponsiveness of graphene is somewhat due to the lower light absorption in single-layer graphene, the shorter recombination lifetime (on the picosecond scale) of photogenerated carriers, and a lower internal quantum efficiency of about 6-16%. Low (<10 mAW −1 ).
GOは、多くの酸素含有官能基で高度に酸化されたグラフェン関連材料である。そのゼロバンドギャップおよび高い電子伝導性を有するグラフェンと対照的に、GOは、バンドギャップが>3.5eVであり、電子伝導性が非常に悪い、広バンドギャップ半導体である。酸素含有官能基を除去すると、光学バンドギャップが>3.5eVから<1eVに低下し、光吸収が増加し、電気伝導性が回復する。この低下過程の結果、rGOまたは化学的に変換されたグラフェンとして知られる別のグラフェン関連材料が得られる。グラフェンおよび他の非官能性グラフェン関連材料(例えば、グラファイト、炭素ナノチューブおよびフラーレン)が疎水性である一方で、GOは酸素含有官能基の存在のために親水性である。rGOの親水性は中程度であるが、それはrGO中の残存する酸素含有官能基の数が高度に酸化されたGOよりも少ないからである。 GO is a graphene-related material that is highly oxidized with many oxygen-containing functional groups. In contrast to graphene, which has its zero bandgap and high electronic conductivity, GO is a wide bandgap semiconductor with a bandgap> 3.5 eV and very poor electronic conductivity. Removal of the oxygen-containing functional group reduces the optical band gap from> 3.5 eV to <1 eV, increases light absorption, and restores electrical conductivity. The result of this degradation process is rGO or another graphene-related material known as chemically converted graphene. While graphene and other non-functional graphene-related materials (eg, graphite, carbon nanotubes and fullerenes) are hydrophobic, GO is hydrophilic due to the presence of oxygen-containing functional groups. rGO is moderately hydrophilic because the number of residual oxygen-containing functional groups in rGO is less than in highly oxidized GO.
グラフェンおよびその誘導体に対する最新の生物医学的応用の中でも、組織工学、抗菌処置、薬物および遺伝子送達のための、およびバイオイメージングのための造影剤としてのそれらの利用が挙げられる。例えば、細胞培養のための平面または三次元足場の両方に対する、構造の構成要素としてのグラフェン関連材料の組み込みは、細胞接着を大きく促進し、細胞増殖を改善し、細胞成熟速度を加速し、神経突起出芽および伸長を促進し、幹細胞分化中の神経系細胞系列を支持した。これらの適用は、純粋なグラフェンおよびその誘導体を利用しただけでなく、多様なナノ構造を有するそれらのハイブリッドナノコンポジット(例えば、半導体量子ドット、炭素ナノチューブ)、タンパク質(例えばキトサン)、ポリマー(例えばポリ(プロピレンカーボネート))または他の化学物質(例えばPEG)も利用した。好ましい細胞微小環境を生成させることにおけるグラフェン関連材料の好ましい効果は、それらの機械的特性、ミクロスケールのトポグラフィー特性および界面化学の特徴に基づくことが示唆された。 Among the latest biomedical applications for graphene and its derivatives are their use for tissue engineering, antimicrobial treatment, drug and gene delivery, and as contrast agents for bioimaging. For example, the incorporation of graphene-related materials as structural components, both into planar or three-dimensional scaffolds for cell culture, greatly enhances cell adhesion, improves cell growth, accelerates cell maturation rates, It promoted process sprouting and elongation and supported neural cell lines undergoing stem cell differentiation. These applications have not only utilized pure graphene and its derivatives, but also their hybrid nanocomposites (eg, semiconductor quantum dots, carbon nanotubes), proteins (eg, chitosan), polymers (eg, poly) (Propylene carbonate)) or other chemicals (eg, PEG) were also utilized. It has been suggested that the favorable effects of graphene-related materials in creating a favorable cellular microenvironment are based on their mechanical, microscale topographic and surface chemistry characteristics.
既存の生物医学的応用は全て、グラフェンおよびその誘導体の受動的な定常状態特性を利用する。現在、グラフェン関連バイオインターフェースの物理化学的特性を能動的に変化させるために、続いてこれらのインターフェースと相互作用する細胞の機能的状態を変化させるために外部刺激を利用する適用はない。 All existing biomedical applications make use of the passive steady-state properties of graphene and its derivatives. Currently, there are no applications that utilize external stimuli to actively change the physicochemical properties of graphene-related biointerfaces and subsequently to change the functional state of cells that interact with these interfaces.
インビトロおよびインビボの両方の細胞膜の電気的特性の操作のためのグラフェン関連材料(G−バイオインターフェース)を含む生体適合性インターフェースの使用が開示される。 Disclosed is the use of a biocompatible interface that includes a graphene-related material (G-biointerface) for manipulating the electrical properties of cell membranes, both in vitro and in vivo.
ある実施形態において、生体適合性インターフェースは、グラフェン関連材料の1つ以上の構造を含み得る。別の実施形態において、グラフェン関連材料に対して、1つ以上の化学物質が添加され、それらで官能化され、および/またはそれらが追加され得る。ある実施形態において、G−バイオインターフェースは、独立型構造として利用され得る。他の実施形態において、G−バイオインターフェース構造を基板上に堆積させ得る。 In certain embodiments, a biocompatible interface can include one or more structures of a graphene-related material. In another embodiment, one or more chemicals may be added to, functionalized with, and / or added to the graphene-related material. In certain embodiments, the G-bio interface may be utilized as a stand-alone structure. In other embodiments, a G-biointerface structure may be deposited on a substrate.
さらなる実施形態において、G−バイオインターフェースを介した膜電位の操作の方法は、生物学的標的をG−バイオインターフェースの付近に配置するステップと、G−バイオインターフェースを電磁気的刺激に曝露するステップとを含み得る。ある実施形態において、電磁気的刺激は、可視スペクトル電磁気的刺激であり得る。 In a further embodiment, a method of manipulating membrane potential via a G-biointerface comprises: positioning a biological target near the G-biointerface; and exposing the G-biointerface to an electromagnetic stimulus. May be included. In certain embodiments, the electromagnetic stimulus can be a visible spectrum electromagnetic stimulus.
生物学的アッセイを行う方法は、G−バイオインターフェースを介して膜電位の変化を誘発するステップと、1つ以上の検出方法を用いて、結果として起こる変化を監視するステップとを含み得る。ある実施形態において、検出方法は、膜電位を操作するために光によって活性化されるG−インターフェースと組み合わせた場合に、結果として生物学的活性を探査する全光学的アッセイが得られ得る光学的方法であり得る。ある実施形態において、検出方法は遺伝学的方法であり得る。ある実施形態において、検出方法は、電気生理学的方法であり得る。 A method of performing a biological assay can include inducing a change in membrane potential via the G-biointerface and monitoring the resulting change using one or more detection methods. In certain embodiments, the detection method is an optical optic that, when combined with a G-interface activated by light to manipulate membrane potential, can result in an all-optical assay probing biological activity. Method. In certain embodiments, the detection method can be a genetic method. In certain embodiments, the detection method can be an electrophysiological method.
医学的状態を有する動物を処置する方法は、G−バイオインターフェース構造を動物に投与するステップと、G−バイオインターフェースを電磁気的刺激に曝露するステップとを含み得、ここで、この医学的状態は、アルツハイマー病;パーキンソン病;筋萎縮性側索硬化症;ハンチントン病;化学療法誘発性ニューロパチー;加齢性脳機能障害;ダウン症;自閉スペクトラム障害;脳性麻痺;てんかんおよび他の発作性障害;情動障害、うつ、TBI/PTSD/CTE(慢性外傷性脳障害)および他のストレス性、外傷性もしくは爆風による損傷または疾患;統合失調症および他の精神障害;疼痛、痛覚過敏および侵害受容の障害;嗜癖障害;神経虚血;神経再かん流傷害;神経外傷;神経出血;神経損傷;神経感染;脳卒中;癌;心血管系障害;不整脈;心不全;心筋症;リウマチ性心疾患;冠動脈疾患;先天性心疾患;眼疾患;加齢性黄斑変性症;網膜色素変性症;緑内障;糖尿病性網膜症;カルシウムホメオスタシス障害;グルカゴン産生腫瘍;糖尿病;低血糖;副腎障害;甲状腺障害;成長障害;代謝性骨疾患;性ホルモン障害;性機能障害を含むが限定されない様々な病態の何れかである。 A method of treating an animal having a medical condition can include administering a G-biointerface structure to the animal and exposing the G-biointerface to an electromagnetic stimulus, wherein the medical condition comprises: Parkinson's disease; Amyotrophic lateral sclerosis; Huntington's disease; Chemotherapy-induced neuropathy; Age-related cerebral dysfunction; Down syndrome; Autism spectrum disorder; Cerebral palsy; Epilepsy and other paroxysmal disorders; Disorders, depression, TBI / PTSD / CTE (chronic traumatic encephalopathy) and other stress, traumatic or blast injuries or diseases; schizophrenia and other mental disorders; pain, hyperalgesia and nociceptive disorders; Addiction disorder; nerve ischemia; nerve reperfusion injury; nerve trauma; nerve hemorrhage; nerve damage; nerve infection; stroke; Systemic disorder; arrhythmia; heart failure; cardiomyopathy; rheumatic heart disease; coronary artery disease; congenital heart disease; eye disease; age-related macular degeneration; retinal pigment degeneration; glaucoma; diabetic retinopathy; calcium homeostasis; Producing tumor; diabetes; hypoglycemia; adrenal disorders; thyroid disorders; growth disorders; metabolic bone disorders; sex hormonal disorders;
本開示およびその長所をさらに完全に理解するために、ここで、本開示の具体的な実施形態を記載する付属の図面と合わせて次の説明が参照される。 For a more complete understanding of the present disclosure and its advantages, reference is now made to the following description, taken in conjunction with the accompanying drawings, which describe specific embodiments of the present disclosure.
本開示は、これらが変動し得るように、記載の特定の系、装置および方法に限定されない。本記載で使用される用語は、特定の変形形態または実施形態を記載することのみを目的とし、その範囲を限定するものではない。 The present disclosure is not limited to the particular systems, devices, and methods described, as these may vary. The terms used in the description are intended to describe certain variants or embodiments only, and shall not limit the scope thereof.
本開示は、とりわけ、グラフェン関連材料に基づく、ナノ構造の生体適合性切り替え可能インターフェース、このようなバイオインターフェースを調製する方法、細胞の作製、照合および特性評価のためにこのようなバイオインターフェースを利用する方法、細胞および化学物質の薬理学的プロファイリングのためにこのようなバイオインターフェースを利用する方法、ならびにこのようなバイオインターフェースを用いて医学的状態を有する動物を処置する方法を与える。 The present disclosure provides, among other things, nanostructured biocompatible switchable interfaces based on graphene-related materials, methods of preparing such biointerfaces, and the use of such biointerfaces for cell generation, verification and characterization Methods of using such biointerfaces for pharmacological profiling of cells and chemicals, and methods of treating animals with medical conditions using such biointerfaces.
一般的な設計ストラテジーは、図1で示される次の一連の事象に基づく。1)電磁気的刺激への曝露中に、グラフェン関連材料は、そのエネルギーを吸収し、その結果、励起子が生じ、続いて電子および生孔に解離する。2)細胞膜とグラフェン関連材料の表面との間の容量結合効果のために、G−バイオインターフェースからの光生成自由電荷キャリア(例えば電子)は、グラフェン/細胞膜インターフェース付近で陽イオンに取って代わる。3)細胞膜のすぐ外側の電荷のこのような再分布が細胞膜電位の変化を惹起する。G−バイオインターフェースの大きい界面容量により、効果的な容量性刺激が与えられる。したがって、G−バイオインターフェース付近の外部の光により生じるE−フィールドおよび膜間のE−フィールド勾配の相互作用は、細胞の非侵襲的な遠隔刺激につながる。 The general design strategy is based on the following sequence of events shown in FIG. 1) During exposure to electromagnetic stimuli, the graphene-related material absorbs its energy, resulting in excitons and subsequent dissociation into electrons and pores. 2) Due to the capacitive coupling effect between the cell membrane and the surface of the graphene-related material, photogenerated free charge carriers (eg, electrons) from the G-bio interface displace cations near the graphene / cell membrane interface. 3) Such redistribution of the charge immediately outside the cell membrane causes a change in cell membrane potential. The large interfacial volume of the G-biointerface provides effective capacitive stimulation. Thus, the interaction of the E-field gradient between the E-field and the membrane caused by extraneous light near the G-biointerface leads to non-invasive remote stimulation of cells.
G−バイオインターフェースにおけるグラフェン関連材料は、一般に、グラフェンから生じたか、または製作、官能化もしくは置換の様々な方法を用いてグラフェンに変換され得る任意の材料であり得る。グラフェン関連材料のファミリーは、グラファイト、グラフェン、多環式芳香族炭化水素、置換グラフェン関連材料(一部の炭素原子がN、B、P、S、Siなどの原子で置換されている)およびカルボキシル基、エステル、アミド、チオール、ヒドロキシル基、ジオール基、ケトン基、スルホン酸基、カルボニル基、アリール基、エポキシ基、フェノール基、ホスホン酸、アミン基、ポルフィリン、ピリジン、ポリマーおよびそれらの組み合わせなどの官能基で官能化されるグラフェン関連材料を含んでいる。官能化グラフェンの例は、多くの酸素含有官能基を含有するGOである。官能性グラフェンの別の例は、GOからの少なくとも一部の酸素含有官能基の除去により生成されるrGOである。 The graphene-related material in the G-biointerface may generally be any material derived from graphene or converted to graphene using various methods of fabrication, functionalization or substitution. The family of graphene-related materials includes graphite, graphene, polycyclic aromatic hydrocarbons, substituted graphene-related materials (with some carbon atoms replaced by atoms such as N, B, P, S, Si) and carboxyl Groups, esters, amides, thiols, hydroxyl groups, diol groups, ketone groups, sulfonic acid groups, carbonyl groups, aryl groups, epoxy groups, phenolic groups, phosphonic acids, amine groups, porphyrins, pyridines, polymers and combinations thereof Contains graphene-related materials that are functionalized with functional groups. An example of a functionalized graphene is GO, which contains many oxygen-containing functional groups. Another example of a functional graphene is rGO produced by removal of at least some oxygen-containing functional groups from GO.
グラフェン関連材料は、あらゆる次元であり得る。グラフェンの場合、ゼロ次元ナノ構造の例は、グラフェンナノ粒子またはグラフェン量子ドットを含み;一次元ナノ構造の例は、グラフェンナノリボンであり;二次元ナノ構造の例はグラフェンシート、グラフェンナノメッシュであり;三次元ナノ構造の例はグラファイト、グラフェンシートの積層物;炭素ナノチューブ、グラフェンのロールアップシート;フラーレン、グラフェンのラップアップシート;グラフェンフォーム;およびグラフェンナノピラーである。 Graphene-related materials can be of any dimension. For graphene, examples of zero-dimensional nanostructures include graphene nanoparticles or graphene quantum dots; examples of one-dimensional nanostructures are graphene nanoribbons; examples of two-dimensional nanostructures are graphene sheets, graphene nanomesh Examples of three-dimensional nanostructures are graphite, a stack of graphene sheets; carbon nanotubes, roll-up sheets of graphene; fullerenes, wrap-up sheets of graphene; graphene foam; and graphene nanopillars.
G−バイオインターフェースに組み込まれる何れのグラフェン関連材料も、単独で使用し得るか、または様々な次元の様々なグラフェン関連材料の様々な数の層のハイブリッドの組み合わせの一部であり得る。 Any graphene-related material incorporated into the G-biointerface can be used alone or can be part of a hybrid combination of different numbers of layers of different graphene-related materials of different dimensions.
G−バイオインターフェースにおいて特定の特性を設計するために、グラフェン関連材料を様々な補助材料と組み合わせ得る。このような特性としては、吸収効率の向上、所望のスペクトル活性化プロファイル、p−またはn−型の官能性、オン−オフ切り替え速度、処理可能性、耐久性、適合性、電気伝導性、特定のバイオインターフェースを作製するための可能な化学官能化および三次元配置が挙げられ得る。補助材料の例としては、金属(例えば、金、銀、鉄、酸化鉄、二酸化チタン、ランタニド酸化物、遷移金属および遷移金属酸化物)、グラフェン様材料(例えば、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、セレン化ニオビウムおよび窒化ホウ素)、半導体、シリカ、ポリマーまたはそれらの組み合わせで作製される構造が挙げられ得る。 Graphene-related materials can be combined with various auxiliary materials to design specific properties at the G-biointerface. Such properties include enhanced absorption efficiency, desired spectral activation profile, p- or n-type functionality, on-off switching speed, processability, durability, suitability, electrical conductivity, specificity Possible chemical functionalization and three-dimensional configurations to create biointerfaces of the. Examples of auxiliary materials include metals (eg, gold, silver, iron, iron oxide, titanium dioxide, lanthanide oxides, transition metals and transition metal oxides), graphene-like materials (eg, molybdenum disulfide, tungsten disulfide, Niobium selenide and boron nitride), semiconductors, silica, polymers or combinations thereof.
グラフェン関連材料は、細胞外マトリクス(例えば、コラーゲン、フィブロネクチンおよびラミニン)の天然の構成成分または合成ポリマー(例えば、ポリアニリン、ポリピロールおよびポリチオフェン)を含むが限定されないポリマーと組み合わせ得る。 Graphene-related materials can be combined with polymers, including but not limited to natural components of the extracellular matrix (eg, collagen, fibronectin and laminin) or synthetic polymers (eg, polyaniline, polypyrrole and polythiophene).
グラフェン関連材料は、任意の外部の構造支持体なく独立型構造として使用し得るか、または基板上に直接堆積させ得る。これらはまた、独立構造支持体を提供し得る他の材料と組み合わせることもできる。G−バイオインターフェースの具体的な空間的配置は、様々なグラフェン関連材料の固有の次元を活用することおよび適切な補助材料を組み込むことの両方によって達成され得る。 The graphene-related material can be used as a stand-alone structure without any external structural support, or can be deposited directly on a substrate. They can also be combined with other materials that can provide a free standing support. The specific spatial arrangement of the G-biointerface can be achieved both by exploiting the unique dimensions of various graphene-related materials and by incorporating appropriate auxiliary materials.
X−Y平面のG−バイオインターフェースの外形寸法は、ナノの大きさ(例えば1ナノのサイズのグラフェン薄片)からマクロの大きさの範囲にわたり得、これは製造能力によってのみ制限される。X−Y平面の最小寸法は、1nm×1nmである。Z軸に沿った外形寸法は、G−バイオインターフェースに組み込まれるグラフェン関連材料の層数に依存する。Z軸に沿った最小寸法は、非官能性グラフェン単層の厚さ、0.34nmにより定められる。 The external dimensions of the G-biointerface in the XY plane can range from nano-sized (eg, 1 nano-sized graphene flakes) to macro-sized, limited only by manufacturing capabilities. The minimum dimension of the XY plane is 1 nm × 1 nm. The outer dimensions along the Z-axis depend on the number of layers of graphene-related material incorporated into the G-biointerface. The minimum dimension along the Z axis is defined by the thickness of the non-functional graphene monolayer, 0.34 nm.
標的は、1個以上の無傷細胞、1つ以上の細胞分画または1つ以上の人工膜構造であり得る。細胞分画の例としては、任意の管腔状の小器官、例えば核、リボソーム、ミトコンドリア、小胞体、ゴルジ装置、液胞、シナプス小胞およびリソソームなどが挙げられる。人工膜構造の例としては、リン脂質ミセル、マイクロおよびナノカプセルおよび支持構造上の半流動フィルムが挙げられる。 The target can be one or more intact cells, one or more cell fractions, or one or more artificial membrane structures. Examples of cell fractionation include any luminal organelles, such as nuclei, ribosomes, mitochondria, endoplasmic reticulum, Golgi apparatus, vacuoles, synaptic vesicles, and lysosomes. Examples of artificial membrane structures include phospholipid micelles, micro- and nanocapsules and semi-fluid films on support structures.
1個以上の細胞は一般に、膜および膜電位を有するあらゆるタイプの細胞であり得る。例えば、細胞は、細菌(グラム陽性またはグラム陰性)、真核、原核、真菌、昆虫、鳥類、爬虫類、卵母細胞、ハエ、ゼブラフィッシュ、魚類、線虫、両生類または哺乳動物細胞であり得る。本方法はまた、人工膜、リポソームおよびリン脂質二重層などの非細胞物質上でも使用し得る。初代哺乳動物細胞の例は、ヒト、マウス、ラット、イヌ、ネコ、クマ、ムース、ウシ、ウマ、ブタまたはチャイニーズハムスター卵巣(「CHO」)細胞を含む。細胞タイプの他の例は、免疫系細胞(例えば、B細胞、T細胞)、卵母細胞、赤血球細胞、白血球細胞、ニューロン、CM、上皮、グリア、線維芽細胞、幹細胞、癌細胞、分泌型細胞および不死化細胞を含む。 The one or more cells can generally be any type of cell having a membrane and a membrane potential. For example, the cell can be a bacterial (gram-positive or gram-negative), eukaryotic, prokaryotic, fungal, insect, bird, reptile, oocyte, fly, zebrafish, fish, nematode, amphibian or mammalian cell. The method may also be used on non-cellular materials such as artificial membranes, liposomes and phospholipid bilayers. Examples of primary mammalian cells include human, mouse, rat, dog, cat, bear, mousse, cow, horse, pig or Chinese hamster ovary ("CHO") cells. Other examples of cell types include immune system cells (eg, B cells, T cells), oocytes, red blood cells, white blood cells, neurons, CM, epithelium, glia, fibroblasts, stem cells, cancer cells, secretory cells Cells and immortalized cells.
G−バイオインターフェースを介して活性化されるために、細胞は、グラフェン関連材料の表面と接触するかまたはグラフェン関連材料の表面に極めて接近して配置されなければならない。このような配置を達成するために、何れかの細胞をG−バイオインターフェースに添加し得るか、またはG−バイオインターフェースを細胞に添加し得る。 In order to be activated via the G-biointerface, cells must be placed in contact with or very close to the surface of the graphene-related material. To achieve such an arrangement, any cells can be added to the G-biointerface, or the G-biointerface can be added to the cells.
細胞を適切に置いた後、G−バイオインターフェースは、可視スペクトル、高周波スペクトル、赤外線、マイクロ波、テラヘルツ周波数またはそれらの組み合わせを含むが限定されない電磁気的刺激に曝露されなければならない。例えば、G−バイオインターフェースの可視スペクトルの電磁波(すなわち光)への曝露は、レーザー、水銀ランプ、キセノンランプ、ハロゲンランプ照明またはLED照明を含むが限定されない基本的にあらゆる照明方法によって行い得る。 After properly positioning the cells, the G-biointerface must be exposed to electromagnetic stimuli including, but not limited to, the visible spectrum, high frequency spectrum, infrared, microwave, terahertz frequencies or combinations thereof. For example, exposure of the G-biointerface to electromagnetic radiation (ie, light) in the visible spectrum can be performed by essentially any illumination method including, but not limited to, laser, mercury lamp, xenon lamp, halogen lamp illumination or LED illumination.
G−バイオインターフェースを介した細胞の刺激は、電気的刺激、磁気的刺激、化学的刺激、生物学的刺激またはそれらの組み合わせを含むが限定されない他の刺激の手段と組み合わせ得る。 Stimulation of cells via the G-biointerface may be combined with other means of stimulation, including but not limited to electrical stimulation, magnetic stimulation, chemical stimulation, biological stimulation, or combinations thereof.
G−バイオインターフェースは、活性依存性成熟および幹細胞由来ニューロンの分化を先導するための、細胞分化、遊走、増殖および興奮−神経発生カップリングの根底にある過程の研究のために使用し得る。他の実施形態において、G−バイオインターフェースは、特定の成熟度の幹細胞由来細胞の作製のために利用し得る。このような幹細胞由来細胞は患者特異的な細胞であり得る。幹細胞タイプとしては、胚性幹細胞、成体幹細胞およびiPSCが挙げられる。細胞の例としては、ニューロン、CM、光受容体、線維芽細胞、内皮細胞、膵臓細胞、筋肉細胞、分泌型細胞、脂肪細胞、間葉系幹細胞および骨形成幹細胞が挙げられるが限定されない。 The G-biointerface can be used for studying the processes underlying cell differentiation, migration, proliferation and excitation-neurogenic coupling to guide activity-dependent maturation and differentiation of stem cell-derived neurons. In other embodiments, a G-biointerface may be utilized for the generation of stem cell-derived cells of a particular maturity. Such stem cell-derived cells can be patient-specific cells. Stem cell types include embryonic stem cells, adult stem cells and iPSCs. Examples of cells include, but are not limited to, neurons, CM, photoreceptors, fibroblasts, endothelial cells, pancreatic cells, muscle cells, secretory cells, adipocytes, mesenchymal stem cells and osteogenic stem cells.
G−バイオインターフェースはまた、軸索伸長の活性化刺激性の加速に依存することによる神経損傷後の機能回復を促進することにより、神経再生研究および電気的、刺激技術への依存が増加している神経障害の処置のための神経ネットワークとの統合を介した神経機能代替物の開発に役立たせるためにも利用し得る。 The G-biointerface also promotes functional recovery after nerve injury by relying on accelerated stimulatory stimulation of axonal outgrowth, thereby increasing reliance on nerve regeneration research and electrical and stimulation techniques. It can also be used to help develop neural function substitutes through integration with neural networks for the treatment of certain neurological disorders.
G−バイオインターフェースを介した細胞の遠隔刺激は、細胞の活性の監視のための光学的方法と組み合わせ得る。光学的出力シグナルは明視野および/または蛍光光学顕微鏡を用いて捕捉し得、これは、細胞の標識不含実験または蛍光標識の何れかの結果であり得る。蛍光色素および/または蛍光タンパク質は、例えばCa2+感受性蛍光指示薬を用いた細胞内カルシウムの変化または電位感受性蛍光プローブを用いた膜電位の変化など、光によって活性化される生細胞の様々な事象のリアルタイムイメージングのために使用し得る。あるいは、G−バイオインターフェース刺激細胞の光学的アッセイは、免疫組織化学的方法を介して固定細胞を分析するエンドポイントアッセイであり得る。光学的シグナルは、一般に、任意の適切な光測定または光蓄積機器を用いて監視し得る。このような機器の例としては、光学カメラ、デジタルカメラ、CCDカメラ、CMOSカメラ、ビデオ装置、CITイメージング、顕微鏡に装着されるあらゆるデジタルカメラ、光電子増倍管、蛍光光度計、照度計、分光光度計およびさらにはヒトの眼が挙げられる。 Remote stimulation of cells via the G-biointerface can be combined with optical methods for monitoring cell activity. The optical output signal can be captured using brightfield and / or fluorescent light microscopy, which can be the result of either label-free experiments or fluorescent labeling of the cells. Fluorescent dyes and / or proteins are involved in a variety of events in living cells that are activated by light, such as changes in intracellular calcium using Ca 2+ sensitive fluorescent indicators or changes in membrane potential using voltage sensitive fluorescent probes. Can be used for real-time imaging. Alternatively, the optical assay of G-biointerface stimulator cells can be an endpoint assay that analyzes fixed cells via immunohistochemical methods. The optical signal may generally be monitored using any suitable light measurement or light storage device. Examples of such devices include optical cameras, digital cameras, CCD cameras, CMOS cameras, video devices, CIT imaging, any digital camera mounted on a microscope, photomultiplier tubes, fluorimeters, luminometers, spectrophotometers. And even the human eye.
G−バイオインターフェースを介した細胞の遠隔刺激は、パッチクランプ技術、平面電気生理学的系、微小電極アレイ、フィールドトランジスタおよび炭素ナノチューブを含むが限定されない細胞活性の電気的記録と組み合わせ得る。 Remote stimulation of cells via the G-biointerface can be combined with patch clamp techniques, planar electrophysiological systems, microelectrode arrays, field transistors and electrical recording of cell activity including but not limited to carbon nanotubes.
細胞の刺激をもたらすことに加えて、バイオインターフェースが、イメージングもしくは電気的モダリティの何れかまたはそれらの組み合わせを用いて細胞活性を記録するために同時に使用され得る場合、G−バイオインターフェースは、細胞との双方向通信のために利用し得る。 In addition to providing stimulation of cells, if the biointerface can be used simultaneously to record cell activity using either imaging or electrical modalities or a combination thereof, the G-biointerface will Can be used for two-way communication.
G−バイオインターフェースを介した細胞の遠隔刺激は、PCR、RT−PCR、DNA配列決定、次世代配列決定、DNAマイクロアレイ、核型分析、蛍光インサイチュハイブリッド形成、熱量測定インサイチュハイブリッド形成またはそれらの組み合わせを含むが限定されない、それらの続く遺伝学的分析と組み合わせ得る。 Remote stimulation of cells via the G-biointerface may include PCR, RT-PCR, DNA sequencing, next generation sequencing, DNA microarray, karyotyping, fluorescence in situ hybridization, calorimetric in situ hybridization or a combination thereof. It can be combined with their subsequent genetic analysis, including but not limited to.
G−バイオインターフェースを介した細胞刺激は、a)ニューロンネットワークにおけるシナプス可塑性の研究;b)パーキンソン病、アルツハイマー病、自閉症および筋萎縮性側索硬化症などの多くの神経障害において現れる感覚および運動機能障害の根底をなす機序の研究;c)心臓研究;d)膵臓障害の研究を含む多くの研究中の細胞の機能活性の監視を可能にし得る。 Cellular stimulation via the G-biointerface is a) study of synaptic plasticity in neuronal networks; b) sensations and manifestations in many neuropathies such as Parkinson's disease, Alzheimer's disease, autism and amyotrophic lateral sclerosis. Studies of the mechanisms underlying motor dysfunction; c) heart studies; d) monitoring of the functional activity of cells under study, including studies of pancreatic disorders.
G−バイオインターフェースは、細胞の薬理学的プロファイリングのために利用し得る。この場合、G−バイオインターフェースの電磁放射線により細胞膜電位を調節しながら、遺伝学的構成が未知の細胞においてベンチマーク化合物を試験し、任意の利用可能な検出法を用いて細胞応答を監視する。 The G-biointerface can be utilized for pharmacological profiling of cells. In this case, the benchmark compound is tested in cells of unknown genetic makeup, while adjusting the cell membrane potential with G-biointerface electromagnetic radiation, and the cell response is monitored using any available detection method.
G−バイオインターフェースは、薬物探索スクリーニング応用、すなわち新規化学物質の薬理学的特性評価のために利用し得る。この場合、G−バイオインターフェースによって調節される様々な活性化状態で特徴がよく分かっている細胞を新規化学物質に曝露し、任意の利用可能な検出法を用いて細胞応答を監視する。重要なこととして、G−バイオインターフェースは、薬物スクリーニング中に細胞の膜電位を調節することによって、効率的な使用に依存し、活性に依存する薬物の開発を合理化し得、したがって、オンターゲットおよびオフターゲット効果の両方の特性評価ならびに様々な活性化状態の様々な細胞タイプにおける新規化合物の潜在的毒性の検出のために有益であり得る。 The G-biointerface can be used for drug discovery screening applications, i.e., for pharmacological characterization of new chemicals. In this case, well-characterized cells in various activation states regulated by the G-biointerface are exposed to the novel chemical and the cell response is monitored using any available detection method. Importantly, by regulating the membrane potential of cells during drug screening, the G-biointerface may rely on efficient use, streamline the development of activity-dependent drugs, and thus reduce on-target and It may be beneficial for the characterization of both off-target effects as well as for detecting the potential toxicity of new compounds in various cell types in various activation states.
G−バイオインターフェースは、医学的状態を有する動物を処置するために利用し得る。罹患細胞および領域に極めて近接して配置されるG−バイオインターフェースの電磁放射線により惹起される細胞膜電位の変化は、疾患進行中の細胞活性の低下または消失の結果を克服するのに役立つ。G−バイオインターフェースにより処置し得る疾患の例としては、不整脈、心臓インフラクション(cardiac infraction)後の機能障害、神経変性/神経障害、様々な眼科学的障害および内分泌疾患が挙げられるが限定されない。 The G-biointerface may be used to treat animals with medical conditions. Changes in cell membrane potential caused by G-biointerface electromagnetic radiation placed in close proximity to diseased cells and areas help to overcome the consequences of reduced or eliminated cell activity during disease progression. Examples of diseases that can be treated by the G-biointerface include, but are not limited to, arrhythmias, dysfunction after cardiac infraction, neurodegenerative / neurological disorders, various ophthalmological disorders and endocrine disorders.
本明細書中で開示され、特許請求される組成物および/または方法および/または過程は全て、本開示に照らして不要な実験を行うことなくなされ得、実行され得る。本発明の組成物および方法が好ましい実施形態に関して記載されている一方で、当業者にとって当然のことながら、本発明の概念および範囲から逸脱することなく、本明細書中に記載の組成物および/または方法および/または過程およびステップまたは方法のステップの順序に対して変更が適用され得る。より具体的には、当然のことながら、化学的および物理的の両方で関連するある種の作用物質で本明細書中に記載の作用物質を置き換えながら、同じまたは同様の結果を達成し得る。当業者にとって明らかなこのような同様の置換および修飾は全て、本発明の範囲および概念内であるとみなされる。 All of the compositions and / or methods and / or processes disclosed and claimed herein can be made and executed without undue experimentation in light of the present disclosure. While the compositions and methods of the present invention have been described with respect to preferred embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that the compositions and / or compositions described herein can be prepared without departing from the spirit and scope of the present invention. Or, changes may be made to the method and / or process and steps or order of steps of the method. More specifically, it will be appreciated that the same or similar results may be achieved while replacing the agents described herein with certain agents that are both chemically and physically related. All such similar substitutions and modifications apparent to those skilled in the art are deemed to be within the scope and concept of the invention.
実施例1:グラフェン関連材料
寸法10cm×11cmの25μm厚の銅箔(Alpha Aesar,13382,99.8%)上でグラフェンを合成した。グラフェンの成長前に、次の手順により銅箔を清浄化した。浅いアセトン浴に浸漬し、アセトン中で機械による洗浄を行い、イソプロピルアルコール(IPA)を満たした同様の浴槽に移し、IPA中で機械による洗浄を行い、圧縮空気の気流中で乾燥させ、電解研磨し、DI水およびIPAですすぎ、圧縮空気の気流下で送風乾燥を行った。次のチューブ寸法:d=7.6cm、l=100cmの石英チューブ炉(MTI OTF−1200X−HVC−UL)中で大気圧CVDグラフェン合成を行った。
Example 1: Graphene-related material Graphene was synthesized on a 25-μm-thick copper foil (Alpha Aesar, 13382, 99.8%) measuring 10 cm x 11 cm. Prior to the growth of graphene, the copper foil was cleaned by the following procedure. Immerse in a shallow acetone bath, perform mechanical cleaning in acetone, transfer to a similar bath filled with isopropyl alcohol (IPA), perform mechanical cleaning in IPA, dry in a stream of compressed air, and electrolytic polishing Then, it was rinsed with DI water and IPA, and blast-dried under a stream of compressed air. Atmospheric pressure CVD graphene synthesis was performed in a quartz tube furnace (MTI OTF-1200X-HVC-UL) with the following tube dimensions: d = 7.6 cm, l = 100 cm.
本発明者らの実験において、本発明者らは、酸化グラフェン(例えばGraphenea Inc.より)および酸化グラフェン関連材料の何れかの化学還元(例えばヒドラジン水和物、水素化ホウ素ナトリウムまたはL−アスコルビン酸を使用)または熱還元により作製された還元型酸化グラフェンを使用した。一部の場合において、化学還元を行った後に熱還元を行った。 In our experiments, we found that graphene oxide (eg, from Graphenea Inc.) and any chemical reduction of graphene oxide related materials (eg, hydrazine hydrate, sodium borohydride or L-ascorbic acid) ) Or reduced graphene oxide produced by thermal reduction was used. In some cases, thermal reduction was performed after chemical reduction.
化学還元によりrGOを作製するための典型的な実験には、1mLのヒドラジン水和物を100mLの超音波処理GO水溶液(1mg/mL)に添加し、続いて、得られた混合物を95℃で1時間温置し、その後ろ過することが含まれた。 For a typical experiment to make rGO by chemical reduction, 1 mL of hydrazine hydrate was added to 100 mL of sonicated GO aqueous solution (1 mg / mL), and the resulting mixture was then added at 95 ° C. Incubation for 1 hour followed by filtration was included.
化学還元によりrGOを作製するための別の典型的な実験には、100mgのL−アスコルビン酸を100mLの超音波処理GO水溶液(1mg/mL)に室温で添加し、続いて、48時間にわたり激しく撹拌し、遠心することが含まれた。 In another exemplary experiment for making rGO by chemical reduction, 100 mg of L-ascorbic acid was added to 100 mL of sonicated GO aqueous solution (1 mg / mL) at room temperature, followed by vigorous over 48 hours. Agitation and centrifugation were included.
実施例2:G−バイオインターフェースの製造
Triton X−100溶液を用いて2時間、ガラスカバースリップ(VWR)を清浄化した後、それらをエタノール中で徹底的に洗浄し、UV光下で2時間乾燥させた。
Example 2: Preparation of G-biointerface After cleaning glass coverslips (VWR) with Triton X-100 solution for 2 hours, they were thoroughly washed in ethanol and 2 hours under UV light. Let dry.
グラフェンのガラスカバースリップ上への移動を開始するために、CVD成長グラフェンのフィルムを帯びた銅箔に対して、最初に4000rpmで60秒間、トルエン中のポリ(メチルメタクリレート)(PMMA)の2.5%w/w溶液でのスピンコーティングを行った。スピンコーティング後、PMMAとは反対の銅箔側の露出グラフェンに酸素プラズマクリーナー(30s、30W、200mtorr酸素圧)を用いて食刻した。次に、銅に食刻するために、PMMA/グラフェンコーティング銅箔を1M塩化鉄(III)(FeCl3)浴中に30分間浮かせた。次いで、浮遊PMMA支持グラフェンをDI水浴に3回移し、次いで、DI水浴から自立フィルムを「すくう」ことによってカバースリップ上に置いた。室温で2時間乾燥させた後、PMMAを除去するためにカバースリップをアセトン浴中に一晩置いた。次に、カバースリップをIPA中ですすぎ、圧縮空気中で乾燥させた。 1. To initiate the transfer of graphene onto the glass coverslip, first apply poly (methyl methacrylate) (PMMA) in toluene at 4000 rpm for 60 seconds to a copper foil bearing a film of CVD grown graphene. Spin coating with a 5% w / w solution was performed. After spin coating, the exposed graphene on the copper foil side opposite to PMMA was etched using an oxygen plasma cleaner (30 s, 30 W, 200 mtorr oxygen pressure). Next, the PMMA / graphene-coated copper foil was floated in a 1 M iron (III) chloride (FeCl 3 ) bath for 30 minutes to etch the copper. The floating PMMA-supported graphene was then transferred to a DI water bath three times, and then placed on a coverslip by "shooting" a free standing film from the DI water bath. After drying at room temperature for 2 hours, the coverslip was placed in an acetone bath overnight to remove PMMA. The coverslips were then rinsed in IPA and dried in compressed air.
典型的な実験において、GOの化学還元により作製されるrGOを液滴堆積によってガラスカバースリップ上に置いた(10μL/12−mmカバースリップ)。次に、rGOカバースリップを30分間風乾し、次いで滅菌のために一晩、UV細胞培養フード中に置いた。あるいは、本発明者らは、a)上記のようにGO液滴をガラスカバースリップ上に堆積させ、次いでb)それらをオーブン(T=200℃)のステージ上に5分間置くことによってガラスカバースリップ上で直接GOの熱還元を行うことによって、rGOコーティングカバースリップを作製した。 In a typical experiment, rGO made by chemical reduction of GO was placed on a glass coverslip by droplet deposition (10 μL / 12-mm coverslip). The rGO coverslips were then air dried for 30 minutes and then placed in a UV cell culture hood overnight for sterilization. Alternatively, we can: a) deposit GO droplets on a glass cover slip as described above, and then b) place them on a stage in an oven (T = 200 ° C.) for 5 minutes. An rGO coated coverslip was made by performing a direct thermal reduction of GO above.
rGOコーティング96−ウェルマイクロタイタープレートを製造するために、本発明者らは、L−アスコルビン酸を用いて化学還元によって調製した20mLの0.1mg/mL rGO溶液を標準的な96ウェルマイクロプレート(ThermoFisher Scientific)の各ウェルに堆積させた。次に、rGOコーティングプレートを乾燥させ、UV細胞培養フード中で一晩滅菌した。 To make rGO coated 96-well microtiter plates, we used 20 mL of 0.1 mg / mL rGO solution prepared by chemical reduction using L-ascorbic acid in a standard 96-well microplate ( Deposited in each well of ThermoFisher Scientific). Next, the rGO coated plates were dried and sterilized overnight in a UV cell culture hood.
実施例3:細胞培養手順
四因子プログラミングによってiPSCを作製し、NPCに分化させた。次いで、20μg/mLポリ−L−オルニチン(Sigma)で一晩、続いてインキュベーター内で5μg/mLラミニン(Sigma)で少なくとも2時間コーティングしたプラスチック皿上にNPC培養物を置くか、または100μg/mLポリ−L−オルニチンでさらにコーティングし、続いて10μg/mLラミニンでコーティングしたグラフェンコーティングガラスカバースリップ上に直接置いた。N2(Life Technologies)、B27(Life Technologies)、Pen/Strepおよび20ng/mL繊維芽細胞増殖因子(FGF)(Millipore)を補給したDMEM−F12+Glutamax(Life Technologies)を含有するNPC基礎培地中でNPCを維持した。培地を2または3日ごとに交換した。NSCがコンフルエンスに到達したところで、FGFを培地から除去し、週に2回培地を交換しながら5週間維持した。3週間の分化後、細胞表面抗原符号を使用してFACSでニューロンを精製した。1:1混合物Accutase/Accumax(Innovative Cell Technologies)を用いて分化したニューロンを剥離し、CD184、CD44およびCD24抗体(BD Biosciences)で染色した。CD184およびCD44に対して染色が陰性であり、CD24に対して陽性染色されたニューロンを選択し、0.5mM dbCAMP(Sigma)、20ng/mL BDNFおよび20ng/mL GDNF(Peprotech)を補給したNPC基礎培地中でポリ−オルニチン/ラミニン処理グラフェンコーティングカバースリップ上に播種した。
Example 3 Cell Culture Procedure iPSCs were generated by four factor programming and differentiated into NPCs. The NPC cultures are then placed on plastic dishes coated with 20 μg / mL poly-L-ornithine (Sigma) overnight, followed by 5 μg / mL laminin (Sigma) in an incubator for at least 2 hours, or 100 μg / mL. It was further coated with poly-L-ornithine and then placed directly on a graphene-coated glass coverslip coated with 10 μg / mL laminin. NMEM (Life Technologies), B27 (Life Technologies), Pen / Strep and 20 ng / mL fibroblast growth factor (FGF) (Millipore) supplemented with DMEM-F12 + Glutamax (LifeTechNolgie PC containing Negative Technologies containing PC). Maintained. The medium was changed every two or three days. When NSCs reached confluence, FGF was removed from the medium and maintained for 5 weeks with a medium change twice a week. After three weeks of differentiation, neurons were purified by FACS using the cell surface antigen signature. Differentiated neurons were detached using a 1: 1 mixture Accutase / Accumax (Innovative Cell Technologies) and stained with CD184, CD44 and CD24 antibodies (BD Biosciences). NPCs that were negatively stained for CD184 and CD44 and stained positively for CD24 were selected and NPC basal supplemented with 0.5 mM dbCAMP (Sigma), 20 ng / mL BDNF and 20 ng / mL GDNF (Peprotech). Seeded on poly-ornithine / laminin-treated graphene-coated cover slips in medium.
製造者の説明書に従い、iCell CM(Cellular Dynamics International)を凍結融解した。25μLの細胞懸濁液(160,000個細胞/mL)をゼラチンコーティング384ウェルプレートに添加した。次いで細胞を5%CO2で37℃にて48時間にわたり静置した。48時間後、75μLの既知組成培地(CDM)を各ウェルに全部で100μLになるように添加し、次いで体積の半分を1日おきに交換した。培養中10〜14日間後にCMがその自発的収縮を開始したとき、それらをトリプシンで持ち上げ、500,000個細胞/12−mmカバースリップの密度で再播種した。実験前に、カバースリップ上で2〜3週間、CMを培養した。 ICell CM (Cellular Dynamics International) was freeze-thawed according to the manufacturer's instructions. 25 μL of the cell suspension (160,000 cells / mL) was added to a gelatin-coated 384-well plate. The cells were then placed at 37 ° C. with 5% CO 2 for 48 hours. Forty-eight hours later, 75 μL of chemically defined medium (CDM) was added to each well for a total of 100 μL, then half the volume was changed every other day. When CM started its spontaneous contraction after 10-14 days in culture, they were lifted with trypsin and replated at a density of 500,000 cells / 12-mm coverslips. CM was cultured on coverslips for 2-3 weeks before the experiment.
実施例4:CMおよびG−バイオインターフェースの生体適合性
生体適合性評価のために、本発明者らは、グラフェン関連材料でのコーティングありおよびなしのガラスカバースリップ上で培養した細胞の、形態、細胞密度および膜の完全性を比較した。明視野光学顕微鏡画像から、CMがグラフェンおよびrGOでコーティングしたガラスカバースリップ上で培養した場合、正常な形態を示すことが分かる(図2A)。さらなる知見を得るために、本発明者らは、走査電子顕微鏡(SEM)実験で追跡した。これらの実験のために、CMを0.1Mリン酸緩衝液(pH7.4)で洗浄し、4%ホルムアルデヒド溶液で2時間、室温にて固定し、同じ緩衝液で各5分間、3回洗浄した。段階的な一連のアルコール(50%エタノール − 10分、70%エタノール − 10分、80%エタノール − 10分、95%エタノール − 2回交換、10分、100%エタノール − 3回交換、15分)で脱水した後、真空チャンバー中で全試料を凍結乾燥させ、スパッタイリジウムでコーティングした。本発明者らは、10kVエネルギービームを使用しながら、10mmの撮影距離でXL30 ESEM−FEG(FEI)上で走査電子顕微鏡画像を得た。SEM画像から、CMがグラフェンおよびrGOコーティングガラス基板の両方と問題なく調和していることが示される(図2B)。
Example 4: Biocompatibility of CM and G-biointerfaces For biocompatibility assessment, we determined the morphology of cells cultured on glass coverslips with and without coating with graphene-related materials, Cell density and membrane integrity were compared. Bright field optical microscopy images show that CM shows normal morphology when cultured on glass coverslips coated with graphene and rGO (FIG. 2A). To gain further insight, we followed in scanning electron microscope (SEM) experiments. For these experiments, the CM was washed with 0.1 M phosphate buffer (pH 7.4), fixed with 4% formaldehyde solution for 2 hours at room temperature, and washed 3 times with the same buffer for 5 minutes each. did. Stepwise series of alcohols (50% ethanol-10 minutes, 70% ethanol-10 minutes, 80% ethanol-10 minutes, 95% ethanol-2 changes, 10 minutes, 100% ethanol-3 changes, 15 minutes) After dehydration, all samples were lyophilized in a vacuum chamber and coated with sputtered iridium. We obtained a scanning electron microscope image on an XL30 ESEM-FEG (FEI) at an imaging distance of 10 mm using a 10 kV energy beam. SEM images show that CM is in good agreement with both graphene and rGO coated glass substrates (FIG. 2B).
細胞密度を評価するために、本発明者らは、明視野光学顕微鏡画像を用いて予め定められた領域中の細胞数を計算した(図3A)。本発明者らは、CMがグラフェンおよびrGOでコーティングされた面を好むと判断した。図3B(左)は、「裸の」ガラスカバースリップ上よりもrGOコーティングガラスカバースリップ上で細胞密度が顕著に高かったことを示す。 To assess cell density, we calculated the number of cells in a predetermined area using bright-field light microscopy images (FIG. 3A). We have determined that CM prefers surfaces coated with graphene and rGO. FIG. 3B (left) shows that cell density was significantly higher on rGO coated glass coverslips than on “naked” glass coverslips.
細胞生存能を評価するために、本発明者らは、膜透過性カルセイン−AMおよび膜に不透過性のエチジウムホモ二量体−1(EthD−1)を含有するLIVE/DEAD(登録商標)Viability/Cytotoxicity Kit(Life Technologies)を使用した。このキットで染色した場合、無傷細胞膜および高レベルの酵素活性を有する生細胞は、非蛍光カルセイン−AMから緑色カルセインへの酵素性変換およびEthD−1の拒絶のために、緑色に見える。対照的に、EthD−1は、膜に傷がある死細胞にのみ侵入し、核酸への結合時に赤い蛍光シグナルを生じさせる。標準的フィルター(フルオレセイン(カルセイン用)、ローダミン(EthD−1用)およびDAPI(ヘキスト用))およびQIClick CCDカメラ(QImaging Inc.)を備えるOlympus IΧ71蛍光顕微鏡を用いて、標識細胞の画像を無作為に撮影した。ImageJ画像解析ソフトウェアを使用してデータを分析した。EthD−1陽性細胞数をEthD−1陽性およびカルセイン陽性細胞数の合計で除したパーセンテージ比として細胞死を計算した。本発明者らは、コーティング基板対「裸の」基板上で培養した細胞において膜の完全性が統計学的に異ならなかったと判断した(図3B、右)。 To assess cell viability, we used LIVE / DEAD® containing membrane permeable calcein-AM and ethidium homodimer-1 (EthD-1) impermeable to the membrane. The Viability / Cytotoxicity Kit (Life Technologies) was used. When stained with this kit, intact cell membranes and live cells with high levels of enzymatic activity appear green due to enzymatic conversion of non-fluorescent calcein-AM to green calcein and rejection of EthD-1. In contrast, EthD-1 only penetrates dead cells with damaged membranes, producing a red fluorescent signal upon binding to nucleic acids. Images of labeled cells were randomized using an Olympus I # 71 fluorescence microscope equipped with standard filters (fluorescein (for calcein), rhodamine (for EthD-1) and DAPI (for Hoechst)) and a QIClick CCD camera (QImaging Inc.). Taken on. Data was analyzed using ImageJ image analysis software. Cell death was calculated as a percentage ratio of the number of EthD-1 positive cells divided by the total number of EthD-1 positive and calcein positive cells. We determined that membrane integrity was not statistically different in cells cultured on coated versus "naked" substrates (FIG. 3B, right).
G−バイオインターフェース上でCMを培養することがそれらの機能的活性に有益であるか否かを試験するために、本発明者らは、明視野光学顕微鏡を使用し、標識不含アプローチを用いてCMの自発的収縮を監視した。CM収縮中にCMで起こる立体構造変化を検出するために、本発明者らは、自発的収縮の結果としてROI内部の光度が変化することを確実にするために、関心領域(ROI)をCMの端部のすぐ外側に選択した。1秒当たりの収縮数を計算することによって頻度を定量した。本発明者らは、CMの収縮頻度が、G−バイオインターフェース上で細胞を培養した場合に、より高くなったことを見出した。 To test whether culturing CM on the G-biointerface is beneficial for their functional activity, we used bright-field light microscopy and used a label-free approach. To monitor the spontaneous contraction of the CM. To detect the conformational changes that occur in a CM during CM contraction, we used a CMV to ensure that the luminosity inside the ROI changes as a result of spontaneous contraction. Just outside the end of the selected. Frequency was quantified by calculating the number of contractions per second. The present inventors have found that the frequency of CM contraction was higher when cells were cultured on the G-biointerface.
実施例5:CMにおける、G−バイオインターフェースおよび光惹起性効果
実施例4に記載の標識不含アプローチを用いて、本発明者らは、2つの実験的配置においてCMの自発的収縮に対するG−バイオインターフェースの光照射の効果を研究した:a)CMをrGOコーティングガラスカバースリップ上で2〜3週間培養した場合の「長期」(または慢性)調和およびb)実験前に直接、対照(例えば非コーティング)カバースリップ上で培養したCM上にrGO薄片を10分間堆積させた場合の「短期」(または急性)調和。本発明者らは、光照射の結果、慢性(図4A、B)および急性(図4C)実験配置の両方でCMの収縮頻度が増加することを見出した。
Example 5: G-biointerface and light-induced effects in CM Using the label-free approach described in Example 4, we determined that G-biointerface and spontaneous contraction of CM in two experimental configurations. The effects of biointerface light irradiation were studied: a) "long-term" (or chronic) harmonization when CM was cultured on rGO coated glass coverslips for 2-3 weeks and b) Control (e.g., non- "Coating""shortterm" (or acute) harmony when rGO slices were deposited on CM grown on coverslips for 10 minutes. The present inventors have found that light irradiation increases the frequency of CM contractions in both chronic (FIGS. 4A, B) and acute (FIG. 4C) experimental configurations.
電気生理学的アプローチを用いて、本発明者らは、グラフェン関連材料でコーティングしたガラスカバースリップの表面上で培養した細胞の膜電位の光惹起性変化を監視した。典型的な実験において、(mMで)NaCl、135;KCl、2.5;CaCl2、2;NaHCO3、1;Na2HPO4、0.34;KH2PO4、0.44;グルコース、20;HEPES、10;およびグリシン、0.01(pH7.4)からなる電気生理学的細胞外溶液を満たした実験チャンバー中にrGOコーティングカバースリップを置いた。3〜6MΩの最終チップ抵抗のパッチピペットに、(mMで)CsCl、120;塩化テトラエチルアンモニウム、20;HEPES、10;EGTA、2.25;CaCl2、1;MgCl2、2(pH7.4)からなる溶液を満たした。Digidata 1322インターフェース、Axopatch 200B増幅器およびpClampソフトウェア(Molecular Devices Corp.)を用いて、全記録を得た。本発明者らは、光照射が「裸の」カバースリップ上で培養したCMに影響を与えなかったと判断した(図5A)が、rGOコーティングカバースリップ上のCMにおいて膜脱分極を惹起し、これが一連の活動電位の開始(図5B)または活動電位生成の頻度の増加(図5C)につながったと判断した。
Using an electrophysiological approach, we monitored the photo-induced changes in membrane potential of cells cultured on the surface of a glass coverslip coated with a graphene-related material. In a typical experiment, (mM in) NaCl, 135; KCl, 2.5 ;
全光学的アッセイは、(例えばG−バイオインターフェースを介した)細胞の光惹起性活性化および(例えば蛍光バイオセンサーを用いた)細胞活性を監視する光学的方法を組み合わせた。典型的な実験において、本発明者らは、CO2インキュベーター内で、ローディング緩衝液(132mM NaCl;4.2mM KCl;1.8mM CaCl2、5mM D−グルコース、10mM HEPES;pH7.4に調整)中、45分間、5μM Fluo−4 AM、カルシウム感受性蛍光指示薬(Thermo Fisher Scientific)または2μM VF1.2、電位感受性色素の何れかをCMに負荷した。全光学的アッセイを行うために、本発明者らは、520nmの高強度の光の短いパルスを使用して、G−バイオインターフェースを活性化し、480nmの低強度の光で連続照射して、蛍光色素を励起した。フルオレセインフィルターセット(励起480/20nm、放射525/30nm)を備える正立蛍光顕微鏡(upright light fluorescent microscope)上でイメージング実験を行った。CCDカメラを用いて30Hzで数秒間、画像を得て、ImageJソフトウェアを用いて分析した。本発明者らの実験において、本発明者らは、CMにおいて光惹起性活動電位の生成の結果として起こる細胞内カルシウム濃度の変化を検出し(図6)、細胞の光調節性の活性化のためにG−バイオインターフェースを組み込む全光学的アッセイの実現可能性を確認した。
The all-optical assay combines photo-induced activation of cells (eg, via a G-biointerface) and optical methods to monitor cell activity (eg, using a fluorescent biosensor). In a typical experiment, the present inventors found that in a CO 2 incubator, loading buffer (132mM NaCl; 4.2mM KCl; 1.8
実施例6:ニューロンおよびG−バイオインターフェースの生体適合性
本発明者らは、明視野光学顕微鏡およびSEMの両方を用いて、グラフェン関連材料でコーティングしたガラスカバースリップ上で培養したiPSC由来ニューロンの形態を評価した(図7)。本発明者らは、rGOコーティングガラスカバースリップ上で6週間培養した後、iPSC由来ニューロンがそれらの形態を変化させなかったと判断した。
Example 6: Biocompatibility of neurons and G-biointerface We used both brightfield light microscopy and SEM to morph the iPSC-derived neurons cultured on glass coverslips coated with graphene-related materials Was evaluated (FIG. 7). We determined that iPSC-derived neurons did not change their morphology after 6 weeks of culture on rGO coated glass coverslips.
iPSC由来ニューロンおよびrGOコーティングガラスカバースリップの生体適合性を評価するために、本発明者らは、LIVE/DEAD(登録商標)Viability/Cytotoxicity Kit(Life Technologies)を用いて生存能実験を行った。本発明者らは、実施例4に記載のような結果を分析し、細胞生存能がrGOコーティング上で「裸の」ガラスカバースリップよりも高かったと判断した(図8)。 To evaluate the biocompatibility of iPSC-derived neurons and rGO coated glass cover slips, we performed viability experiments using the LIVE / DEAD® Viability / Cytotoxicity Kit (Life Technologies). We analyzed the results as described in Example 4 and determined that cell viability was higher on rGO coatings than on "naked" glass coverslips (FIG. 8).
実施例7:ニューロンにおけるG−バイオインターフェースおよび光惹起性の効果
本発明者らは、実施例5に記載の実験プロトコールに従い、iPSC由来ニューロンにおいて電気生理学的研究を行った((図9A)。本発明者らは、CMの場合のように、ニューロンにおいて光照射が膜脱分極を惹起し、これが活動電位の生成につながったと判断した(図9B)。
Example 7: G-biointerface and light-induced effects on neurons We performed electrophysiological studies on iPSC-derived neurons according to the experimental protocol described in Example 5 (FIG. 9A). The inventors determined that, as in CM, light irradiation caused membrane depolarization in neurons, which led to the generation of action potentials (FIG. 9B).
ニューロン活性の全光学的照合を行うために、本発明者らは、実施例6に記載のように、それらのrGOコーティング基板に光を照射し、Fluo−4、蛍光カルシウム感受性指示薬を用いてそれらの光惹起性の活性を監視することによってニューロンを活性化した(図10A)。本発明者らは、rGOコーティング基板上で培養したニューロンでのみ、光照射により惹起される電気的活性中の細胞内カルシウムの変化を問題なく記録した(図10B)。 To perform an all-optical check of neuronal activity, we illuminated their rGO-coated substrates and described them using Fluo-4, a fluorescent calcium-sensitive indicator, as described in Example 6. The neurons were activated by monitoring the light-induced activity of (Fig. 10A). We successfully recorded changes in intracellular calcium during electrical activation induced by light irradiation only in neurons cultured on rGO coated substrates (FIG. 10B).
実施例8:統計学的分析
データは平均±s.e.m.として表した。必要に応じて、スチューデント−ニューマン−コイルス(SNK)事後検定とともに一元ANOVAを用いて結果を解釈した。スチューデントのt検定により遺伝子型/処置間のペアワイズ比較を評価した。差は、P<0.05で統計学的に有意とみなした。
Example 8: Statistical analysis Data are means ± sd. e. m. Expressed as Where appropriate, one-way ANOVA with Student-Newman-Keuls (SNK) post-test was used to interpret the results. Pairwise comparisons between genotypes / treatments were evaluated by Student's t-test. Differences were considered statistically significant at P <0.05.
上記の発明を実施するための形態において、本発明の一部をなす添付の図面を参照する。図面において、同様の記号は一般に、内容から別段の断りが示されない限り、同様の構成成分を特定する。詳細な説明、図面および特許請求の範囲に記載の例示的な実施形態は、限定するためのものではない。本明細書中で与えられる主題の趣旨または範囲から逸脱することなく、他の実施形態を使用し得、他の変更形態をなし得る。本開示の態様は、一般的に本明細書中に記載され、図面で例示されるとおり、多岐にわたる様々な配置において、配置され、置換され、組み合わせられ、分離され、設計され得、これらが全て本明細書中で明確に企図されることは容易に理解されよう。 In the above detailed description, reference is made to the accompanying drawings, which form a part hereof. In the drawings, similar symbols typically identify similar components, unless context dictates otherwise. The illustrative embodiments described in the detailed description, drawings, and claims are not meant to be limiting. Other embodiments may be used and other modifications may be made without departing from the spirit or scope of the subject matter provided herein. Aspects of the present disclosure may be arranged, substituted, combined, separated, designed in a wide variety of different arrangements, as generally described herein and illustrated in the drawings, all of which are incorporated herein by reference. It will be readily understood that it is explicitly contemplated herein.
本開示は、本願に記載の特定の実施形態に関して限定されず、これは様々な態様の説明であるものとする。当業者にとって明らかであるように、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、多くの変更形態および変形形態がなされ得る。本明細書中で列挙されるものに加えて、本開示の範囲内の機能的に均等な方法および装置が、前出の記載から当業者にとって明らかとなるであろう。このような変更形態および変形形態は、添付の特許請求の範囲内に包含されるものとする。本開示は、かかる特許請求の範囲が与えられる均等物の範囲全体とともに、添付の特許請求の範囲の条項によってのみ限定される。本開示は、特定の方法、試薬、化合物、組成物または生物系に限定されず、当然ではあるが変化し得ることを理解されたい。本明細書中で使用される用語は、特定の実施形態のみを記載する目的のものであり、限定するものではないことも理解されたい。 This disclosure is not limited with respect to the particular embodiments described herein, which are intended to be illustrative of the various aspects. As will be apparent to those skilled in the art, many modifications and variations can be made without departing from the spirit and scope of the invention. Functionally equivalent methods and apparatuses within the scope of the disclosure, in addition to those enumerated herein, will be apparent to those skilled in the art from the foregoing description. Such modifications and variations are intended to be included within the scope of the appended claims. The present disclosure, together with the full scope of equivalents to which such claims are entitled, is limited only by the terms of the appended claims. It is to be understood that this disclosure is not limited to particular methods, reagents, compounds, compositions or biological systems, which can, of course, vary. It is also to be understood that the terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only, and is not limiting.
本文書で使用される場合、単数形「1つの(a)」、「1つの(an)」および「その(the)」は、文脈上明示的な別段の指示がない限り、複数形の意味を含む。別段の定めがない限り、本明細書中で使用される技術および科学用語は全て、当業者により一般的に理解されるものと同じ意味を有する。本開示のいかなるものも、本開示に記載の実施形態が、先行発明により、かかる開示に先行しないということの承認として解釈されるべきではない。本文書で使用される場合、「を含む(comprising)」という用語は、「を含むが限定されない(including,but not limited to)」ことを意味する。 As used in this document, the singular forms “a”, “an”, and “the” mean the plural unless the context clearly dictates otherwise. including. Unless defined otherwise, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Nothing in this disclosure should be construed as an admission that the embodiments described in this disclosure do not precede such disclosure by virtue of prior invention. As used in this document, the term "comprising" means "including, but not limited to".
「を含む(comprising)」という用語において様々な組成物、方法および装置が記載される一方で、様々な構成成分またはステップ(「を含むが限定されない(including,but not limited to)」ことを意味するものとして解釈される)、組成物、方法および装置も様々な構成成分およびステップ「から基本的になり(consist essentially of)」得るか、またはこれら「からなり(consist of)」得、このような用語は、基本的に限定された要素群を定義するものとして解釈されるべきである。 While the term "comprising" describes various compositions, methods and devices, it refers to the various components or steps ("including, but not limited to"). Compositions, methods and devices may also be "consistent essential of" the various components and steps, or may be "consistent of" Terms should be construed as essentially defining a limited set of elements.
本明細書中での実質的にあらゆる複数および/または単数の用語の使用に関して、当業者は、内容および/または適用に適切であるように、複数から単数および/または単数から複数に変換し得る。明確にするために、様々な単数/複数の変更が明白に示され得る。 With respect to the use of substantially any plural and / or singular terms herein, those skilled in the art may convert plural to singular and / or singular to plural as appropriate to the content and / or application. . Various singular / multiple changes may be explicitly shown for clarity.
一般的に、本明細書中および特に添付の特許請求の範囲(例えば添付の特許請求の範囲の本文)で使用される用語は、一般に「非限定的な」用語とするものである(例えば「含む(including)」という用語は、「を含むが限定されない(including,but not limited to)」と解釈されるべきであり、「有する(having)」という用語は、「少なくとも有する」と解釈されるべきであり、「含む(includes)」という用語は、「含むが限定されない(includes,but is not limited to)」と解釈されるべきであるなど)ことが当業者により理解されよう。導入される請求項の列挙の具体的な数が意図される場合、かかる意図は、請求項において明確に記載され、かかる記載がない場合、かかる意図は存在しないことが当業者によりさらに理解されよう。例えば、理解の一助として、次の添付の特許請求の範囲は、請求項の記載を導入するために「少なくとも1つの」および「1つ以上の」という前置句の使用を含有し得る。しかし、かかる句の使用は、同じ請求項が前置句「1つ以上の」または「少なくとも1つの」および「1つの(a)」または「1つの(an)」などの不定冠詞(例えば「1つの(a)」および/または「1つの(an)」は、「少なくとも1つの」または「1つ以上の」を意味するものとして解釈すべきである)を含む場合であっても、不定冠詞「1つの(a)」または「1つの(an)」による請求項の記載の導入が、かかる記載のうちの1つのみを含有する実施形態に対して、かかる導入される特許請求の範囲の記載を含有する任意の特定の請求項を限定することを示唆するものと解釈されるべきではなく、請求項の記載を導入するために使用される定冠詞の使用についても同じことが言える。さらに、導入される請求項の記載の具体的な数が明らかに述べられる場合でも、当業者は、このような記載は、少なくとも記載される数を意味するものと解釈されるべきである(例えば、他の修飾語句がない「2つの記載」の単なる記載は、少なくとも2つの記載または2つ以上の記載を意味する)ことを認識しよう。さらに、A、BおよびCなどのうちの少なくとも1つ」と類似の表記が使用される例において、一般に、かかる構文は、当業者がこの表記を理解するであろうという意味で意図されるものである(例えば、「A、BおよびCのうちの少なくとも1つを有する系」は、Aのみ、Bのみ、Cのみ、AおよびBを一緒に、AおよびCを一緒に、BおよびCを一緒におよび/またはA、BおよびCを一緒になどを有する系を含むが限定されない)。「A、BまたはCなどのうちの少なくとも1つ」に類似の表記が使用される例において、一般に、かかる構文は、当業者がその表記を理解するであろうという意味で意図される(例えば、「A、BまたはCの少なくとも1つを有する系」は、Aのみ、Bのみ、Cのみ、AおよびBを一緒に、AおよびCを一緒に、BおよびCを一緒におよび/またはA、BおよびCを一緒になどを有する系を含むが限定されない)。実質的に、あらゆる2つ以上の代替用語を与える離接語および/または句は、本明細書、特許請求の範囲または図面の何れであれ、それらの用語のうちの1つ、用語の何れかまたは両用語を含む可能性を企図することを理解すべきであることは、当業者によりさらに理解されよう。例えば、「AまたはB」という句は、「A」または「B」または「AおよびB」の可能性を含むと理解されよう。 In general, terms used herein and in particular in the appended claims (eg, the text of the appended claims) are generally intended to be “non-limiting” terms (eg, “ The term "including" is to be interpreted as "including, but not limited to" and the term "having" is interpreted as "at least having". It should be understood by those skilled in the art that the term "includes" should be interpreted as "includes, but is not limited to". Where the specific number of recitations of claims to be introduced is intended, such intent is explicitly stated in the claims, and without such intent, it will be further understood by those skilled in the art that such intent does not exist. . For example, as an aid to understanding, the following appended claims may contain the use of the prefixes "at least one" and "one or more" to introduce claim recitations. However, the use of such a phrase means that the same claim may require that the introductory phrases “one or more” or “at least one” and indefinite articles such as “one (a)” or “one (an)” (eg “ "A" and / or "an" should be taken to mean "at least one" or "one or more"), Introducing claims in the definite article "one (a)" or "one (an)", for embodiments containing only one such claim, such claims It should not be construed as suggesting a limitation on any particular claim containing a claim, and the same applies to the use of definite articles used to introduce claim claims. Furthermore, even if the specific number of claims to be introduced is explicitly stated, one of ordinary skill in the art should interpret such description to at least mean the recited number (eg, , A simple description of “two statements” without other modifiers means at least two statements or more than one statement). Further, in instances where similar notation is used, such as "at least one of A, B, and C, etc.", such syntax is generally intended in the sense that one of ordinary skill in the art would understand this notation. (Eg, “a system having at least one of A, B and C” is A only, B only, C only, A and B together, A and C together, B and C are Including but not limited to systems having A and B and C together and / or the like). In instances where notations similar to "at least one of A, B or C etc." are used, such syntax is generally intended in the sense that one of ordinary skill in the art would understand the notation (eg, , "A system having at least one of A, B or C" refers to A only, B only, C only, A and B together, A and C together, B and C together and / or A , B and C together, and the like). Disjunctive terms and / or phrases that provide virtually any two or more alternative terms, whether in this specification, in the claims or in the drawings, are one of those terms, any of the terms It will be further understood by those skilled in the art that it is intended to include the possibility of including both terms. For example, the phrase "A or B" will be understood to include the possibilities of "A" or "B" or "A and B."
さらに、本開示の特性または態様がマーカッシュグループで記載される場合、当業者は、本開示がまた、それにより、マーカッシュグループのあらゆる個々の要素または要素のサブグループに関しても記載されることを認識しよう。 Furthermore, where features or aspects of the disclosure are described in a Markush group, those of skill in the art will recognize that the disclosure is also thereby described in terms of any individual element or subgroup of elements of the Markush group. .
当業者により理解されるであろうように、本明細書を提供することに関してなど、あらゆる目的のために、本明細書中で開示される範囲は全て、あらゆる可能なサブ範囲およびそのサブ範囲の組み合わせも包含する。列挙される範囲は何れも、同じ範囲が、二等分、三等分、四等分、五等分、十等分など、少なくとも等しく分けられることを十分に説明し、それが可能であるものとして容易に認識され得る。非限定例として、本明細書中で論じられる各範囲は、下位の三分の一、中位の三分の一および上位の三分の一などに容易に分けられ得る。当業者によりまた理解されるであろうように、「最大で」、「少なくとも」などの言語は全て、列挙される数を含み、上記で論じるようにサブ範囲に続いて分けられる範囲を指す。最後に、当業者により理解されるであろうように、範囲は、各個々の要素を含む。したがって、例えば1〜3個の細胞を有する群は、1、2または3個の細胞を有する群を指す。同様に、1〜5個の細胞を有する群は、1、2、3、4または5個の細胞を有する群などを指す。 As will be understood by those skilled in the art, for any purpose, such as in connection with providing this specification, all ranges disclosed herein are inclusive of all possible sub-ranges and sub-ranges thereof. Combinations are also included. Fully explain that any listed range is at least equally divided into two, three, four, five, ten, etc. Can be easily recognized as By way of non-limiting example, each range discussed herein can be readily divided into a lower third, a middle third, a higher third, and so on. As will also be appreciated by those of skill in the art, languages such as "at a maximum", "at least", and the like, all include the recited numbers, and refer to ranges that are separated by subranges as discussed above. Finally, as will be understood by those skilled in the art, a range includes each individual element. Thus, for example, a group having 1-3 cells refers to groups having 1, 2 or 3 cells. Similarly, a group having 1-5 cells refers to groups having 1, 2, 3, 4, or 5 cells, and the like.
様々な上記で開示されるおよび他の特性および機能またはその代替形態は、多くの他の異なる系または適用に組み合わせ得る。様々な現在予見できないかまたは予期されない、これにおける代替形態、変更形態、変形形態または改善形態が続いて当業者によりなされ得、これらもそれぞれ開示される実施形態により包含されるものとする。 Various of the above disclosed and other features and functions, or alternatives thereof, may be combined in many other different systems or applications. Various currently unforeseen or unexpected alternatives, modifications, variations or improvements therein may be subsequently made by those skilled in the art, each of which is intended to be encompassed by the disclosed embodiments.
Claims (27)
少なくとも1つの電磁放射線源及び
少なくとも1つの生物学的標的を含む、細胞の活性化状態を調節するシステムであって、
前記バイオインターフェースは、電磁放射線への曝露に応答して自由電荷キャリアを生成するように構成され、前記バイオインターフェースは、グラファイト;グラフェン;多環芳香族炭化水素;カルボキシル基、エステル、アミド、チオール、ヒドロキシル基、ジオール基、ケトン基、スルホネート基、カルボニル基、アリール基、エポキシ基、フェノール基、ホスホン酸、アミン基、ポルフィリン、ピリジン、ポリマーの1以上で官能化された、官能化グラファイト、グラフェン、多環芳香族炭化水素;炭素原子の一部が非炭素原子で置換された、グラファイト、グラフェン、多環芳香族炭化水素;グラファイトオキサイド;酸素含有官能基を含むグラファイトオキサイド;還元グラフェン酸化物;少なくともいくつかの酸素含有官能基を欠くグラフェン酸化物からなる群から選択された1以上の材料を含み、
前記電磁放射線源は、少なくとも1つのバイオインターフェースを電磁放射線に曝露するように構成され、
前記生物学的標的は、少なくとも1つのバイオインターフェースの電磁放射線への曝露により発生した自由電荷キャリアによって、生細胞の細胞膜電位が遠隔かつ可逆的に操作されるように、少なくとも1つのバイオインターフェースに接触又は十分近接して配置される生細胞を含む、細胞の活性化状態を調節するシステム。 At least one biointerface,
A system for regulating an activation state of a cell, comprising at least one source of electromagnetic radiation and at least one biological target, the system comprising :
The biointerface is configured to generate free charge carriers in response to exposure to electromagnetic radiation, the biointerface comprising graphite; graphene; polycyclic aromatic hydrocarbons; carboxyl groups, esters, amides, thiols, Functionalized graphite, graphene, functionalized with one or more of hydroxyl, diol, ketone, sulfonate, carbonyl, aryl, epoxy, phenol, phosphonic, amine, porphyrin, pyridine, polymer Polycyclic aromatic hydrocarbons; graphite, graphene, polycyclic aromatic hydrocarbons in which carbon atoms are partially substituted with non-carbon atoms; graphite oxide; graphite oxide containing an oxygen-containing functional group; reduced graphene oxide; Some oxygen-containing functional groups Comprising one or more materials selected from the group consisting of:
The electromagnetic radiation source is configured to expose at least one biointerface to electromagnetic radiation;
The biological target contacts the at least one biointerface such that free charge carriers generated by exposure of the at least one biointerface to electromagnetic radiation remotely and reversibly manipulate the cell membrane potential of living cells. Or a system for regulating the activation state of cells, including living cells placed in close proximity.
前記少なくとも1つの生物学的標的と、電磁放射線への曝露に応答して自由電荷キャリアを生成するように構成された少なくとも1つのバイオインターフェースとを配置し、
該バイオインターフェースは、グラファイト;グラフェン;多環芳香族炭化水素;カルボキシル基、エステル、アミド、チオール、ヒドロキシル基、ジオール基、ケトン基、スルホネート基、カルボニル基、アリール基、エポキシ基、フェノール基、ホスホン酸、アミン基、ポルフィリン、ピリジン、ポリマーの1以上で官能化された、官能化グラファイト、グラフェン、多環芳香族炭化水素;炭素原子の一部が非炭素原子で置換された、グラファイト、グラフェン、多環芳香族炭化水素;グラファイトオキサイド;酸素含有官能基を含むグラファイトオキサイド;還元グラフェン酸化物;少なくともいくつかの酸素含有官能基を欠くグラフェン酸化物からなる群から選択された1以上の材料を含み、
前記生物学的標的は、少なくとも1つのバイオインターフェースの電磁放射線への曝露により発生した自由電荷キャリアによって、生細胞の細胞膜電位が遠隔かつ可逆的に操作されるように、少なくとも1つのバイオインターフェースに接触又は十分近接して配置される生細胞を含み、
前記少なくとも1つのバイオンターフェースを電磁放射線に曝露することを含むインビトロでの生物学的標的の機能的状態の変化を誘発する方法。 Providing at least one biological target,
Disposing the at least one biological target and at least one biointerface configured to generate free charge carriers in response to exposure to electromagnetic radiation;
The biointerface is graphite; graphene; polycyclic aromatic hydrocarbon; carboxyl group, ester, amide, thiol, hydroxyl group, diol group, ketone group, sulfonate group, carbonyl group, aryl group, epoxy group, phenol group, phosphone group. Functionalized graphite, graphene, polycyclic aromatic hydrocarbons functionalized with one or more of acids, amine groups, porphyrins, pyridines, polymers; graphite, graphene, in which some of the carbon atoms are replaced by non-carbon atoms Including one or more materials selected from the group consisting of polycyclic aromatic hydrocarbons; graphite oxide; graphite oxide containing oxygen-containing functional groups; reduced graphene oxide; graphene oxide lacking at least some oxygen-containing functional groups. ,
The biological target contacts the at least one biointerface such that free charge carriers generated by exposure of the at least one biointerface to electromagnetic radiation remotely and reversibly manipulate the cell membrane potential of living cells. Or including live cells that are placed in close enough proximity,
A method for inducing a change in the functional state of a biological target in vitro, comprising exposing said at least one bioion interface to electromagnetic radiation.
前記少なくとも1つの生物学的標的の生細胞と、電磁放射線への曝露に応答して自由電荷キャリアを生成するように少なくとも1つのバイオインターフェースとを配置し、
前記生細胞を、少なくとも1つのバイオインターフェースの電磁放射線への曝露により発生した自由電荷キャリアによって、生細胞の細胞膜電位が遠隔かつ可逆的に操作されるように、少なくとも1つのバイオインターフェースに接触又は十分近接して配置し、
前記バイオインターフェースは、グラファイト;グラフェン;多環芳香族炭化水素;カルボキシル基、エステル、アミド、チオール、ヒドロキシル基、ジオール基、ケトン基、スルホネート基、カルボニル基、アリール基、エポキシ基、フェノール基、ホスホン酸、アミン基、ポルフィリン、ピリジン、ポリマーの1以上で官能化された、官能化グラファイト、グラフェン、多環芳香族炭化水素;炭素原子の一部が非炭素原子で置換された、グラファイト、グラフェン、多環芳香族炭化水素;グラファイトオキサイド;酸素含有官能基を含むグラファイトオキサイド;還元グラフェン酸化物;少なくともいくつかの酸素含有官能基を欠くグラフェン酸化物からなる群から選択された1以上の材料を含み、
前記少なくとも1つのバイオインターフェースを電磁放射線に曝露することにより、前記少なくとも1つのバイオインターフェースに賦活刺激を与え、
細胞膜電位を操作することを通して、少なくとも1つの生物学的標的の機能的状態の変化を誘発させ、
1以上の検出法を用いて、前記少なくとも1つの生物学的標的における得られる変化を監視することを含み、
前記標的を、1以上の無傷細胞、1つ以上の細胞分画または1つ以上の人工膜構造とするインビトロでの生物学的アッセイを行う方法。 Providing at least one biological target, including living cells,
Positioning live cells of said at least one biological target and at least one biointerface to generate free charge carriers in response to exposure to electromagnetic radiation;
The living cells are contacted or sufficiently contacted with at least one biointerface such that free charge carriers generated by exposure of the at least one biointerface to electromagnetic radiation remotely and reversibly manipulate the cell membrane potential of the living cells. Placed in close proximity,
The biointerface includes graphite; graphene; polycyclic aromatic hydrocarbon; carboxyl group, ester, amide, thiol, hydroxyl group, diol group, ketone group, sulfonate group, carbonyl group, aryl group, epoxy group, phenol group, phosphone group. Functionalized graphite, graphene, polycyclic aromatic hydrocarbons functionalized with one or more of acids, amine groups, porphyrins, pyridines, polymers; graphite, graphene, in which some of the carbon atoms are replaced by non-carbon atoms Including one or more materials selected from the group consisting of polycyclic aromatic hydrocarbons; graphite oxide; graphite oxide containing oxygen-containing functional groups; reduced graphene oxide; graphene oxide lacking at least some oxygen-containing functional groups. ,
Activating the at least one biointerface by exposing the at least one biointerface to electromagnetic radiation;
Elicit a change in the functional state of at least one biological target through manipulating the cell membrane potential;
Monitoring the resulting change in said at least one biological target using one or more detection methods,
A method for performing an in vitro biological assay wherein said target is one or more intact cells, one or more cell fractions or one or more artificial membrane structures.
電磁放射線への曝露に応答して自由電荷キャリアを生成するように構成された少なくとも1つのバイオインターフェース及び
少なくとも1つのバイオインターフェースを電磁放射線に曝露するように構成された少なくとも1つの電磁放射線源を含み、
前記バイオインターフェースは、グラファイト;グラフェン;多環芳香族炭化水素;カルボキシル基、エステル、アミド、チオール、ヒドロキシル基、ジオール基、ケトン基、スルホネート基、カルボニル基、アリール基、エポキシ基、フェノール基、ホスホン酸、アミン基、ポルフィリン、ピリジン、ポリマーの1以上で官能化された、官能化グラファイト、グラフェン、多環芳香族炭化水素;炭素原子の一部が非炭素原子で置換された、グラファイト、グラフェン、多環芳香族炭化水素;グラファイトオキサイド;酸素含有官能基を含むグラファイトオキサイド;還元グラフェン酸化物;少なくともいくつかの酸素含有官能基を欠くグラフェン酸化物からなる群から選択された1以上の材料を含み、
動物への投与によって、少なくとも1つのバイオインターフェースの電磁放射線への曝露により発生した自由電荷キャリアによって、生細胞の細胞膜電位が遠隔かつ可逆的に操作されるように、生細胞を含む少なくとも1つの生物学的標的が、少なくとも1つのバイオインターフェースに接触又は十分近接して配置され、
前記医学的状態が、アルツハイマー病;パーキンソン病;筋萎縮性側索硬化症;ハンチントン病;化学療法誘発性ニューロパチー;加齢性脳機能障害;ダウン症;自閉スペクトラム障害;脳性麻痺;てんかん、発作性障害;情動障害、うつ、外傷性脳損傷、外傷後ストレス障害(慢性外傷性脳障害)、ストレス性、外傷性もしくは爆風による損傷または疾患;統合失調症および他の精神障害;疼痛、痛覚過敏および侵害受容の障害;嗜癖障害;神経虚血;神経再かん流傷害;神経外傷;神経出血;神経損傷;神経感染;脳卒中;癌;心血管系障害;不整脈;心不全;心筋症;リウマチ性心疾患;冠動脈疾患;先天性心疾患;眼疾患;加齢性黄斑変性症;網膜色素変性症;緑内障:糖尿病性網膜症;カルシウムホメオスタシス障害;グルカゴン産生腫瘍;糖尿病;低血糖;副腎障害;甲状腺障害;成長障害;代謝性骨疾患;性ホルモン障害;性機能障害であり;
前記動物が、哺乳動物、ヒト、霊長類、イヌ、ネコ、マウス、ラット、ウシ、ウマまたはブタである医学的症状を有する動物を治療又は予防するためのシステム。 A system for treating an animal having a medical condition , comprising:
At least one biointerface configured to generate free charge carriers in response to exposure to electromagnetic radiation, and at least one source of electromagnetic radiation configured to expose the at least one biointerface to electromagnetic radiation ,
The biointerface includes graphite; graphene; polycyclic aromatic hydrocarbon; carboxyl group, ester, amide, thiol, hydroxyl group, diol group, ketone group, sulfonate group, carbonyl group, aryl group, epoxy group, phenol group, phosphone group. Functionalized graphite, graphene, polycyclic aromatic hydrocarbons functionalized with one or more of acids, amine groups, porphyrins, pyridines, polymers; graphite, graphene, in which some of the carbon atoms are replaced by non-carbon atoms Including one or more materials selected from the group consisting of polycyclic aromatic hydrocarbons; graphite oxide; graphite oxide containing oxygen-containing functional groups; reduced graphene oxide; graphene oxide lacking at least some oxygen-containing functional groups. ,
At least one organism containing living cells is administered such that free charge carriers generated by exposure to electromagnetic radiation of the at least one biointerface upon administration to the animal remotely and reversibly manipulate the cell membrane potential of the living cells. A biological target is placed in contact with or in close proximity to at least one biointerface;
The medical condition is Alzheimer's disease; Parkinson's disease; Amyotrophic lateral sclerosis; Huntington's disease; Chemotherapy-induced neuropathy; Age-related cerebral dysfunction; Down's syndrome; Autism spectrum disorder; Cerebral palsy; Epilepsy; Disorders; emotional disorders, depression, traumatic brain injury, post-traumatic stress disorder (chronic traumatic brain injury), stressful, traumatic or blast damage or disease; schizophrenia and other mental disorders; pain, hyperalgesia and Nociceptive disorders; Addiction disorders; Nerve ischemia; Nerve reperfusion injury; Nerve trauma; Nerve hemorrhage; Nerve injury; Nerve infection; Stroke; Cancer; Cardiovascular disorders; Arrhythmias; Heart failure; Cardiomyopathy; Rheumatic heart disease Coronary artery disease; congenital heart disease; eye disease; age-related macular degeneration; retinitis pigmentosa; glaucoma: diabetic retinopathy; calcium homeostasis disorder; glucagon It is sexual dysfunction; live tumor; diabetes; hypoglycemia; adrenal disorders; Thyroid disorders; growth disorders; metabolic bone disease; hormone disorders;
A system for treating or preventing an animal having a medical condition, wherein the animal is a mammal, human, primate, dog, cat, mouse, rat, cow, horse or pig.
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